導(dǎo)熱系數(shù)測量方法的選擇

1、導(dǎo)熱系數(shù)測量方法的選擇1前言在化工、建筑行業(yè)中，很多科研生產(chǎn)和應(yīng)用過程都涉及到熱量傳遞，導(dǎo)熱系數(shù)（或熱導(dǎo)率）常被 用來衡量材料的導(dǎo)熱性能和保溫性能，是材料的一個重要參數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)（入）是指在穩(wěn)定傳熱條 件下，1m厚的材料，兩側(cè)表面的溫差為1K（或。C）,在1h內(nèi)，通過1m2面積傳遞的熱量，單位為W/（m. K）, 此處的K可用。C代替。入值越小，材料的絕熱性能越好。由于導(dǎo)熱系數(shù)的大小取決于被測物的結(jié)構(gòu) 組成、平均溫度、含水率、傳熱時間、兩側(cè)溫差等諸多因素，一般要通過實驗確定。料導(dǎo)熱系數(shù)的 測定方法現(xiàn)已發(fā)展了多種，它們有不同的適用領(lǐng)域、測量范圍、精度、準(zhǔn)確度和試樣尺寸要求等， 不同方法對同一樣品

2、的測量結(jié)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(dǎo)熱系數(shù)的測定方法分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法兩大類，具有各自不同的測試原理。據(jù)此人們 開發(fā)和建立了一些具體的數(shù)學(xué)模型，由此衍生出各種各樣的測試方法和裝置。2穩(wěn)態(tài)法穩(wěn)態(tài)法是經(jīng)典的保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)測定方法，至今仍受到廣泛應(yīng)用。其原理是利用穩(wěn)定傳熱 過程中，傳熱速率等于散熱速率的平衡狀態(tài)，根據(jù)傅里葉一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模型，由通過試樣的熱流 密度、兩側(cè)溫差和厚度，計算得到導(dǎo)熱系數(shù)。原理簡單清晰，精確度高，但測量時間較長，對環(huán)境 條件要求較高。2.1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(dǎo)熱系數(shù)的 絕對值

3、。測量時，將厚度一定的樣品插入于兩個平板間，設(shè)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導(dǎo)熱系數(shù)。Cold surfaceHot surface熱流法是目前國際上比較流行的測量方法。除固體材料，還可用于多孔纖維、聚合物基復(fù)合材料、高分子材料等的導(dǎo)熱系數(shù)的測定。優(yōu)點在于精度高。日本EKO公司的HC-074系列導(dǎo)熱系數(shù)測定 儀其精度可優(yōu)于1%,重復(fù)性0.2%，再現(xiàn)性0.5%，適用于材料的研發(fā)、質(zhì)量控制等精密測量。HC-074-600/630/637HC-074-200HC-074-30

4、0/304/314缺點在于測量材料的導(dǎo)熱系數(shù)范圍比較窄，溫度范圍有限，只能測量低導(dǎo)熱系數(shù)材料和絕熱保 溫材料。2.2護熱平板法護熱平板法其工作原理和熱流法相似，是目前公認(rèn)的準(zhǔn)確度最高的方法，可用于基準(zhǔn)樣 品的標(biāo)定和其他儀器的校準(zhǔn)，實驗裝置多采用雙試件結(jié)構(gòu)。熱源位于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?qū)ΨQ的熱流，并使加熱器的能量被測試樣品完 全吸收。測量過程中，精確設(shè)定輸入到熱板上的能量。通過調(diào)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(diào)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。輔助加熱器后是散

5、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，應(yīng)用Fourier方程便能夠算出材料的導(dǎo)熱系數(shù)。Auxiliary H-eaterGuam與量程廣（最高可達2/miK）此外，保護熱板法使用得c)Top Tet tSampleHot Rl我| Guana歸u皿Bottom Test ISample !U II Direct tan ofI HMt戶坎帕無需對測 量單元進行標(biāo)定。缺點就是，測量時間長，儀器價格昂高，并且不能研究濕材料的熱傳導(dǎo)性能，不 能用于薄膜、涂層等厚度小的樣品。3動態(tài)法動態(tài)法是最近幾十年內(nèi)開發(fā)的新方法，用于研究高導(dǎo)

6、熱系數(shù)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(guān)系求得樣品的熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱擴散系數(shù)和熱容。3.1熱線法熱線法是應(yīng)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 熱線上施加一個恒定的加熱功率，使其溫度上升。測量熱線本身或平行于熱線的一定距離上的溫度 隨時間上升的關(guān)系。由于被測材料的導(dǎo)熱性能決定這一關(guān)系，由此可得到材料的導(dǎo)熱系數(shù)。這種方 法測量時間比較短，所測量材料的導(dǎo)熱系數(shù)范圍一般是0.1W/mK到幾十。優(yōu)點是產(chǎn)品價格便宜， 測量速度快，對樣品尺寸要求不太嚴(yán)格。缺點是分析誤差比較大，一般為5%10%。3.2激光閃射法激光閃射法的測量范圍很寬，但測得的是材料的熱擴散系數(shù)，還需要知道試樣的比熱和密度， 才能通過計算得到導(dǎo)熱系數(shù)入，而測定熱態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)還需要膨脹系數(shù)的數(shù)值，只適用于各向同 性、均質(zhì)、不透光的材料；瞬變平面熱源法是在試件上貼上探頭，通過多元函數(shù)對試樣表面溫度的 響應(yīng)進行擬合后便可計算出材料的導(dǎo)熱系數(shù)，適用廣泛，快捷，但精確度不一定高。4小結(jié)導(dǎo)熱系數(shù)的測量方法主要有穩(wěn)態(tài)和動態(tài)兩種方法。穩(wěn)態(tài)法適合在中等溫度下測量的導(dǎo)熱系數(shù)材 料，其中護熱平板法精確度最高，但是測量速度慢、過程較復(fù)雜、價格昂貴，熱流計法則快速、