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1、导热系数测量方法的选择1前言在化工、建筑行业中，很多科研生产和应用过程都涉及到热量传递，导热系数（或热导率）常被 用来衡量材料的导热性能和保温性能，是材料的一个重要参数。导热系数（入）是指在稳定传热条 件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1K（或。C）,在1h内，通过1m2面积传递的热量，单位为W/（m. K）, 此处的K可用。C代替。入值越小，材料的绝热性能越好。由于导热系数的大小取决于被测物的结构 组成、平均温度、含水率、传热时间、两侧温差等诸多因素，一般要通过实验确定。料导热系数的 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
2、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。据此人们 开发和建立了一些具体的数学模型，由此衍生出各种各样的测试方法和装置。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。原理简单清晰，精确度高，但测量时间较长，对环境 条件要求较高。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
3、。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导热系数。Cold surfaceHot surface热流法是目前国际上比较流行的测量方法。除固体材料，还可用于多孔纤维、聚合物基复合材料、高分子材料等的导热系数的测定。优点在于精度高。日本EKO公司的HC-074系列导热系数测定 仪其精度可优于1%,重复性0.2%，再现性0.5%，适用于材料的研发、质量控制等精密测量。HC-074-600/630/637HC-074-200HC-074-30
4、0/304/314缺点在于测量材料的导热系数范围比较窄，温度范围有限，只能测量低导热系数材料和绝热保 温材料。2.2护热平板法护热平板法其工作原理和热流法相似，是目前公认的准确度最高的方法，可用于基准样 品的标定和其他仪器的校准，实验装置多采用双试件结构。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
5、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，应用Fourier方程便能够算出材料的导热系数。Auxiliary H-eaterGuam与量程广（最高可达2/miK）此外，保护热板法使用得c)Top Tet tSampleHot Rl我| Guana归u皿Bottom Test ISample !U II Direct tan ofI HMt户坎帕无需对测 量单元进行标定。缺点就是，测量时间长，仪器价格昂高，并且不能研究湿材料的热传导性能，不 能用于薄膜、涂层等厚度小的样品。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
6、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。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。优点是产品价格便宜， 测量速度快，对样品尺寸要求不太严格。缺点是分析误差比较大，一
7、般为5%10%。3.2激光闪射法激光闪射法的测量范围很宽，但测得的是材料的热扩散系数，还需要知道试样的比热和密度， 才能通过计算得到导热系数入，而测定热态下的导热系数还需要膨胀系数的数值，只适用于各向同 性、均质、不透光的材料；瞬变平面热源法是在试件上贴上探头，通过多元函数对试样表面温度的 响应进行拟合后便可计算出材料的导热系数，适用广泛，快捷，但精确度不一定高。4小结导热系数的测量方法主要有稳态和动态两种方法。稳态法适合在中等温度下测量的导热系数材 料，其中护热平板法精确度最高，但是测量速度慢、过程较复杂、价格昂贵，热流计法则快速、精 确，但是测量范围较窄。对于保温材料，日本EKO公司的导热系数测定仪无疑是最适合的测量仪器。动态法中的热线法和激光法，虽然应用广、测量速度快，但是误差高（5%），所以适合于测量 高导热系数材料或在高温条件下的测量。
