導熱系數(shù)

通常，物質的導熱系數(shù)可以通過理論和實驗兩種方式來獲得。

理論上，從物質微觀結構出發(fā)，以量子力學和統(tǒng)計力學為基礎，通過研究物質的導熱機理，建立導熱的物理模型，經(jīng)過復雜的數(shù)學分析和計算可以獲得導熱系數(shù)。但由于理論的適用性受到限制，而且隨著新材料的快速增多，人們迄今仍尚未找到足夠精確且適用于范圍廣泛的理論方程，因此對于導熱系數(shù)實驗測試方法和技術的探索，仍是物質導熱系數(shù)數(shù)據(jù)的主要來源。

導熱系數(shù)的測試分為動態(tài)法和穩(wěn)態(tài)法，穩(wěn)態(tài)法又分為熱流計法和防護熱板法?？紤]到儀器精度以及控溫范圍，參照GB/T10294-2008標準，采用防護熱板法進行測試。

實驗儀器如圖1所示，包括主體、冷熱源控制系統(tǒng)和智能測量儀3部分。

主體由熱板、冷板和試件夾緊系統(tǒng)組成。熱板包括主加熱板、護加熱板以及背護加熱板3個主要部分。主加熱板和護加熱板由電阻加熱器及智能測量儀控溫，背護加熱板由精密恒溫水槽控溫，使3塊加熱板的溫度保持一致。冷板由鋁板、半導體制冷體和冷卻水套組成，可精確控制冷板溫度在設定值。智能測量儀用于整個測試系統(tǒng)的溫度測量及控制，以實現(xiàn)全自動的測試。

每種材料各制備3~6個尺寸為30cm×30cm×3~5cm的試件，在不同溫度和含濕量下對導熱系數(shù)進行12~35次測試。測試前先將試件培養(yǎng)至不同的含濕量，然后將試件的各面用4層塑料薄膜包裹起來。薄膜的水蒸氣滲透阻Sd > 1.5m，可視為不透氣。其厚度和熱阻分別為0.0225mm和0.000537m²K/W，均可以忽略。

導熱系數(shù)固體

固體是由自由電子和原子組成的，原子又被約束在規(guī)律排列的晶格中。相應的，熱能的傳輸是由兩種作用實現(xiàn)的：自由電子的遷移和晶格的振動波。當視為準粒子現(xiàn)象時，晶格振動子稱為聲子。純金屬中，電子對導熱貢獻最大，而在非導體中，聲子的貢獻起主要作用。

常用的固體導熱系數(shù)見表1。在所有固體中，金屬是最好的導熱體。純金屬的導熱系數(shù)一般隨溫度升高而降低。而金屬的純度對導熱系數(shù)影響很大，如含碳為1%的普通碳鋼的導熱系數(shù)為45W/m ·K ，不銹鋼的導熱系數(shù)僅為16 W/m ·K 。

表1 常用固體材料的導熱系數(shù)

導熱系數(shù)液體

液體分成金屬液體和非金屬液體兩類，前者導熱系數(shù)較高，后者較低。在非金屬液體中，水的導熱系數(shù)最大，除去水和甘油外，絕大多數(shù)液體的導熱系數(shù)隨溫度升高而略有減小。一般來說，溶液的導熱系數(shù)低于純液體的導熱系數(shù)。表2列出了幾種液體的導熱系數(shù)值。

表 2 液體的導熱系數(shù)

導熱系數(shù)氣體

氣體的導熱系數(shù)隨溫度升高而增大。在通常的壓力范圍內，其導熱系數(shù)隨壓力變化很小，只有在壓力大于196200kN/m² ，或壓力小于2.67 kN/m²（20mmHg）時，導熱系數(shù)才隨壓力的增加而加大。故工程計算中常可忽略壓力對氣體導熱系數(shù)的影響。

氣體的導熱系數(shù)很小，故對導熱不利，但對保溫有利。常見的幾種氣體的導熱系數(shù)值見表3 。

表 3 氣體的導熱系數(shù)

根據(jù)傅立葉定律，熱導率的定義式為

其中，x為熱流方向。

對于各向同性的材料來說，各個方向上的熱導率是相同的。

不同物質導熱系數(shù)各不相同；相同物質的導熱系數(shù)與其的結構、密度、濕度、溫度、壓力等因素有關。同一物質的含水率低、溫度較低時，導熱系數(shù)較小。一般來說，固體的熱導率比液體的大，而液體的又要比氣體的大。這種差異很大程度上是由于這兩種狀態(tài)分子間距不同所導致。工程計算上用的系數(shù)值都是由專門試驗測定出來的。

隨著溫度的升高或含濕量的增大，所測5種典型建筑材料的導熱系數(shù)都呈增大的趨勢。下面從微觀機理上對此加以分析。對多孔材料而言，當其受潮后，液態(tài)水會替代微孔中原有的空氣；而在常溫常壓下，液態(tài)水的導熱系數(shù)（約為0.59W/（m·K））遠大于空氣的導熱系數(shù)（約為0.026W/（m·K）），因此，含濕材料的導熱系數(shù)會大于干燥材料的導熱系數(shù)，且含濕量越高，導熱系數(shù)也越大。若在低溫下水分凝結成冰，由于冰的導熱系數(shù)高達2.2W/（m·K）），因此材料整體的導熱系數(shù)也將增大。

與受潮帶來的影響不同，溫度升高會引起分子熱運動的加快，促進固體骨架的導熱及孔隙內流體的對流傳熱。此外，孔壁之間的輻射換熱也會因為溫度的升高而加強。若材料含濕，則溫度梯度還可能造成重要影響：溫度梯度將形成蒸汽壓梯度，使水蒸氣從高溫側向低溫側遷移；在特定條件下，水蒸氣可能在低溫側發(fā)生冷凝，形成的液態(tài)水又將在毛細壓力的驅動下從低溫側向高溫側遷移。如此循環(huán)往復，類似于熱管的強化換熱作用，使材料表現(xiàn)出來的導熱系數(shù)明顯增大。

通常把導熱系數(shù)較低的材料稱為保溫材料（我國國家標準規(guī)定，凡平均溫度不高于350℃時導熱系數(shù)不大于0.12W/(m·K)的材料稱為保溫材料），而把導熱系數(shù)在0.05 W/(m·K)以下的材料稱為高效保溫材料。

導熱系數(shù)高的物質有優(yōu)良的導熱性能。在熱流密度和厚度相同時，物質高溫側壁面與低溫側壁面間的溫度差，隨導熱系數(shù)增大而減小。比如：鍋爐爐管在未結水垢時，由于鋼的導熱系數(shù)高，鋼管的內外壁溫差不大。而鋼管內壁溫度又與管中水溫接近，因此，管壁溫差（內外壁溫度平均值）不會很高。但當爐管內壁結水垢時，由于水垢的導熱系數(shù)很小，水垢內外側溫差隨水垢厚度增大而增大，從而把管壁金屬溫度迅速抬高。當水垢厚度達到相當大（一般為1~3毫米）后，會使爐管管壁溫度超過允許值，造成爐管過熱損壞。對鍋爐爐墻及管道的保溫材料來講，則要求導熱系數(shù)越低越好。

一般常把導熱系數(shù)小于0.2W/(m·K)的材料稱為保溫材料。例如石棉、珍珠巖等。 2100433B

材料的導熱系數(shù)是反映材料導熱性能的物理量，導熱機理在很大程度上取決于它的微觀結構，熱量的傳遞依靠原子、分子圍繞平衡位置的振動以及自由電子的遷移。導熱系數(shù)不僅與構成材料的物質種類密切相關，而且與它的微觀結構、溫度、?壓力及雜質含量相聯(lián)系。?測量導熱系數(shù)的方法比較多，但可以歸并為兩類基本方法：一類是穩(wěn)態(tài)法，另一類是動態(tài)法。用穩(wěn)態(tài)法時，先用熱源對測試樣品進行加熱，并在樣品內部形成穩(wěn)定的溫度分布，然后進行測量。而在動態(tài)法中，待測樣品中的溫度分布是隨時間變化的，例如按周期性變化等。

測試材料的導熱系數(shù)范圍廣：0.005~0.5W·m/K。 可以測試材料在不同使用溫度下的導熱系數(shù)：-20~60oC。

導熱系數(shù)是指在穩(wěn)定傳熱條件下，1m厚的材料，兩側表面的溫差為1度（K，°C）,在1秒內，通過1平方米面積傳遞的熱量，用λ表示，單位為瓦/（米·度），w/（m·k）（W/m·K,此處的K可用℃代替）。

導熱系數(shù)與材料的組成結構、密度、含水率、溫度等因素有關。非晶體結構、密度較低的材料，導熱系數(shù)較小。材料的含水率、溫度較低時，導熱系數(shù)較小。 　通常把導熱系數(shù)較低的材料稱為保溫材料(我國國家標準規(guī)定，凡平均溫度不高于350℃時導熱系數(shù)不大于0.12W/(m·K)的材料稱為保溫材料），而把導熱系數(shù)在0.05瓦/米攝氏度以下的材料稱為高效保溫材料。2100433B