常见导热系数测量方法

1 前言

导热系数：物体传导热量的能力，又称为热导率。定义为单位温度梯度（在1m长度内温度降低1K）在单位时间内经单位导热面所传递的热量。单位为瓦每米开尔文[W/(m·K)]，此处的K可用℃代替。导热系数的测定方法现已发展了多种，它们有不同的适用领域、测量范围、精度、准确度和试样尺寸要求等，不同方法对同一样品的测量结果可能会有较大的差别，因此选择合适的测试方法是首要的。

目前导热系数的测定方法分为稳态法和非稳态法两大类，具有各自不同的测试原理。

2 稳态法

稳态法是经典的保温材料的导热系数测定方法，至今仍受到广泛应用。其原理是利用稳定传热过程中，传热速率等于散热速率的平衡状态，根据傅里叶一维稳态热传导模型，由通过试样的热流密度、两侧温差和厚度，计算得到导热系数。

稳态法适合在中等温度下测量的导热系数材料。适用于岩土、塑料、橡胶、玻璃、绝热保温材料等低导热系数材料。

2.1 热流计法

热流计法是一种比较法，是用校正过的热流传感器测量通过样品的热流，得到的是导热系数的绝对值。测量时，将厚度一定的样品插入于两个平板间，设置一定的温度梯度。使用校正过的热流传感器测量通过样品的热流，传感器在平板与样品之间和样品接触。测量样品的厚度、上下板间的温度梯度及通过样品的热流便可计算试样的导热系数。热流法测试材料的导热系数范围比较窄（0.015-5W/m·k），温度范围为热板90℃，冷板0℃～70℃。

2.2 护热平板法

护热平板法其工作原理和热流法相似。热源位于同一材料的两块样品中间，使用两块样品是为了获得向上与向下方向对称的热流，并使加热器的能量被测试样品完全吸收。测量过程中，精确设定输入到热板上的能量。通过调整输入到辅助加热器上的能量，对热源与辅助板之间的测量温度和温度梯度进行调整。热板周围的保护加热器与样品的放置方式确保从热板到辅助加热器的热流是线性的、一维的。辅助加热器后是散热器，散热器和辅助加热器接触良好，确保热量的移除与改善控制。测量加到热板上的能量、温度梯度及两片样品的厚度，便能够算出材料的导热系数。护热平板法是直接测量绝热材料和建筑材料的导热系数与热阻，导热系数范围：0.0015～0.8 W/m·K，应用领域包括：纤维板、矿棉、泡沫塑料、真空绝热板、复合板，木材等材料。

3 动态法

动态法是最近几十年内开发的新方法，用于研究高导热系数材料，或在高温度条件下进行测量。工作原理是：提供样品一固定功率的热源，记录样品本身温度随时间的变化情形，由时间与温度变化的关系求得样品的热传导系数、热扩散系数和热容。

适合于测量高导热系数材料或在高温条件下的测量。适用于金属、石墨烯、合金、陶瓷、粉末、纤维等同质均匀的材料。

 3.1 热线法

热线法是应用比较多的方法，是在样品（通常为大的块状样品）中插入一根热线。测试时，在热线上施加一个恒定的加热功率，使其温度上升。测量热线本身或平行于热线的一定距离上的温度随时间上升的关系。由于被测材料的导热性能决定这一关系，由此可得到材料的导热系数。这种方法测量时间比较短，所测量材料的导热系数范围一般是 0.1W/mK 到几十。

3.2 激光闪射法

激光闪射法的测量范围很宽，激光闪光法测量材料导热系数的原理是根据导热系数K与热扩散系数a、比热容cp和体积密度ρ三者之间的关系:

首先测出试样的体积密度ρ, 然后分别或者同时测量出材料的热扩散系数a和比热容cp , 则可计算出材料的导热系数。

导热系数范围：0.1~2000W/m·K

测试温度：RT to 1000°C

测试类别：铜箔、铁片、铝片、石墨烯、合金、塑料、陶瓷、橡胶、多层复合材料、粉末、纤维（需压片）等各向同性、均质、不透光的材料。

参考标准

ASTM C518-10: Standard Test Method for Steady-State Thermal Transmission Properties by Means of the Heat Flow Meter Apparatus.

ASTM C177 – 13:Standard Test Method for Steady-State Heat Flux Measurements and Thermal Transmission Properties by Means of the Guarded-Hot-Plate Apparatus.

ASTM E1461-2013:Test method for thermal diffusivity by the flash method.

CPCA 4105-2010: Metal base copper clad laminate for printed circuits.

ASTM D5470-2012: Standard Test Method for Thermal Transmission Properties of Thermally Conductive Electrical Insulation Materials.

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