導熱係數測試方法概述——穩態法

防護熱板法(Guarded Hot Plate Method，GHP)的測試機理如圖1所示。兩塊相同的待測試樣交替地夾在冷、熱板之間，熱量由中心計量面板與內防護面板垂直通過試樣傳遞到冷卻面板上，而外防護面板的溫度為冷、熱板的平均溫度，以降低試樣的邊緣熱交換，進而保證試樣上能形成一維垂直熱流。此外，若將其中的一塊試樣換作輔助加熱模塊，就可構建單試樣結構的測試裝置。

圖1 防護熱板法測試導熱係數原理示意圖（雙試樣結構）

當試樣中形成穩定溫度梯度後，測量各模塊的溫度和熱功率，就可以計算得到試樣的導熱係數，其計算公式如下

式中：λ為試樣導熱係數，W·m-1·K-1；Q為計量面板的加熱功率，W；L為待測試樣的厚度，m；A為量熱面積，m2；Th為試樣熱面溫度，K；Tc為試樣冷麵溫度，K。

防護熱板法是絕熱材料導熱係數測試的經典方法，表1給出了目前國內外典型防護熱板法導熱係數測試裝置的基本參數。

表1 國內外典型防護熱板法導熱係數測試裝置基本參數

由表1可知，國內裝置的測試溫度主要停留在常中溫區域，且準確度相對較差，而國外裝置測試溫域更寬，準確度更好。

從總體上來說，防護熱板法一般適用於導熱係數在3W·m-1·K-1以下材料的測試，是低導熱材料測試的經典方法，而不適於導熱係數較大的情況，這是因為當材料導熱係數較大時，通過材料的熱流大，構建穩定的溫度梯度較為困難。另外，防護熱板法裝置可以用於低溫測試，但高溫測試溫度一般不超過800℃，這是因為防護熱板法高溫區測試的準確度較差。

有文獻顯示，不同防護熱板法測試裝置在-20~80℃的測試結果差異約為2％~3％，而高溫區差異可以達到10％以上。因此，防護熱板法適於絕熱材料導熱係數的測試，測試溫度較低，測試周期較長。防護熱板法對於絕熱材料的測試準確度和重複性最好，一般以其為仲裁方法，並可用該方法來開發絕熱材料導熱係數參比板。

防護熱板法在高溫區測試時，存在測試數據分散性大、重複性差的情況。而許多保溫絕熱材料的的工作溫度往往比較高，高溫導熱係數是其重要的熱物理性能。因此，需要分析高溫測試條件對防護熱板法的影響，並用以提高其測試準確度。為消除防護熱板法高溫狀態帶來的影響，就需要使用導熱係數參比板來統一測試結果，實現高溫條件下導熱係數的量值溯源。表2給出了目前國內外幾種導熱係數參比板的基本參數。

表2 國內外典型導熱係數參比板的基本參數

由表2可知，目前可用的導熱係數參比板的使用溫度均在200℃以下，無法滿足防護熱板法的高溫測試要求，高溫狀態對導熱係數測試準確度的影響依然存在，需要研究耐高溫的導熱係數參比板來提高其在高溫條件下的測試準確度。