導熱係數常見測量方法

2021-02-13 醫療器械質量與檢測

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來源：嘉峪檢測網

1、導熱係數測量前言

導熱係數：物體傳導熱量的能力，又稱為熱導率。定義為單位溫度梯度（在1m長度內溫度降低1K）在單位時間內經單位導熱面所傳遞的熱量。單位為瓦每米開爾文[W/(m·K)]，此處的K可用℃代替。導熱係數的測定方法現已發展了多種，它們有不同的適用領域、測量範圍、精度、準確度和試樣尺寸要求等，不同方法對同一樣品的測量結果可能會有較大的差別，因此選擇合適的測試方法是首要的。 

目前導熱係數的測定方法分為穩態法和非穩態法兩大類，具有各自不同的測試原理。

 

2、導熱係數測量穩態法

穩態法是經典的保溫材料的導熱係數測定方法，至今仍受到廣泛應用。其原理是利用穩定傳熱過程中，傳熱速率等於散熱速率的平衡狀態，根據傅立葉一維穩態熱傳導模型，由通過試樣的熱流密度、兩側溫差和厚度，計算得到導熱係數。

穩態法適合在中等溫度下測量的導熱係數材料。適用於巖土、塑料、橡膠、玻璃、絕熱保溫材料等低導熱係數材料。

 

2.1 導熱係數測量熱流計法 

熱流計法是一種比較法，是用校正過的熱流傳感器測量通過樣品的熱流，得到的是導熱係數的絕對值。測量時，將厚度一定的樣品插入於兩個平板間，設置一定的溫度梯度。使用校正過的熱流傳感器測量通過樣品的熱流，傳感器在平板與樣品之間和樣品接觸。測量樣品的厚度、上下板間的溫度梯度及通過樣品的熱流便可計算試樣的導熱係數。熱流法測試材料的導熱係數範圍比較窄（0.015-5W/m·k），溫度範圍為熱板90℃，冷板0℃～70℃。 

2.2 導熱係數測量護熱平板法 

護熱平板法其工作原理和熱流法相似。熱源位於同一材料的兩塊樣品中間，使用兩塊樣品是為了獲得向上與向下方向對稱的熱流，並使加熱器的能量被測試樣品完全吸收。測量過程中，精確設定輸入到熱板上的能量。通過調整輸入到輔助加熱器上的能量，對熱源與輔助板之間的測量溫度和溫度梯度進行調整。熱板周圍的保護加熱器與樣品的放置方式確保從熱板到輔助加熱器的熱流是線性的、一維的。輔助加熱器後是散熱器，散熱器和輔助加熱器接觸良好，確保熱量的移除與改善控制。測量加到熱板上的能量、溫度梯度及兩片樣品的厚度，便能夠算出材料的導熱係數。護熱平板法是直接測量絕熱材料和建築材料的導熱係數與熱阻，導熱係數範圍：0.0015～0.8 W/m·K，應用領域包括：纖維板、礦棉、泡沫塑料、真空絕熱板、複合板，木材等材料。

3、導熱係數測量動態法

動態法是最近幾十年內開發的新方法，用於研究高導熱係數材料，或在高溫度條件下進行測量。工作原理是：提供樣品一固定功率的熱源，記錄樣品本身溫度隨時間的變化情形，由時間與溫度變化的關係求得樣品的熱傳導係數、熱擴散係數和熱容。

適合於測量高導熱係數材料或在高溫條件下的測量。適用於金屬、石墨烯、合金、陶瓷、粉末、纖維等同質均勻的材料。

 

3.1 導熱係數測量熱線法

熱線法是應用比較多的方法，是在樣品（通常為大的塊狀樣品）中插入一根熱線。測試時，在熱線上施加一個恆定的加熱功率，使其溫度上升。測量熱線本身或平行於熱線的一定距離上的溫度隨時間上升的關係。由於被測材料的導熱性能決定這一關係，由此可得到材料的導熱係數。這種方法測量時間比較短，所測量材料的導熱係數範圍一般是 0.1W/mK 到幾十。

 

3.2 導熱係數測量雷射閃射法

雷射閃射法的測量範圍很寬，雷射閃光法測量材料導熱係數的原理是根據導熱係數K與熱擴散係數a、比熱容cp和體積密度ρ三者之間的關係:

首先測出試樣的體積密度ρ, 然後分別或者同時測量出材料的熱擴散係數a和比熱容cp , 則可計算出材料的導熱係數。

導熱係數範圍：0.1~2000W/m·K

測試溫度：RT to 1000°C

測試類別：銅箔、鐵片、鋁片、石墨烯、合金、塑料、陶瓷、橡膠、多層複合材料、粉末、纖維（需壓片）等各向同性、均質、不透光的材料。

 

導熱係數測量參考標準

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.

 作者：美信

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