導(dǎo)熱率測(cè)量方法

通常，根據(jù)導(dǎo)熱機(jī)理不同，導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法（也叫做非穩(wěn)態(tài)法）兩大類。

穩(wěn)態(tài)法是經(jīng)典的保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)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(guò)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(guò)試樣的熱流密度、兩側(cè)溫差和厚度，計(jì)算得到導(dǎo)熱系數(shù)。原理簡(jiǎn)單清晰，精確度高，但測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)樣品和環(huán)境條件要求較高。

導(dǎo)熱率保護(hù)熱板法

護(hù)熱平板法 其工作原理和熱流法相似，是傳統(tǒng)方法之一，可用于基準(zhǔn)樣品的標(biāo)定和其他儀器的校準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)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(cè)試樣品完全吸收。測(cè)量過(guò)程中，精確設(shè)定輸入到熱板上的能量。通過(guò)調(diào)整輸入到輔助加熱器上的能量，對(duì)熱源與輔助板之間的測(cè)量溫度和溫度梯度進(jìn)行調(diào)整。熱板周圍的保護(hù)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(cè)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)。

導(dǎo)熱率熱流計(jì)法

熱流計(jì)法是一種比較法 ，是用校正過(guò)的熱流傳感器測(cè)量通過(guò)樣品的熱流，得到的是導(dǎo)熱系數(shù)的絕對(duì)值。測(cè)量時(shí)，將厚度一定的樣品插入于兩個(gè)平板間，設(shè)置一定的溫度梯度。使用校正過(guò)的熱流傳感器測(cè)量通過(guò)樣品的熱流，傳感器在平板與樣品之間和樣品接觸。測(cè)量樣品的厚度、上下板間的溫度梯度及通過(guò)樣品的熱流便可計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)。

導(dǎo)熱率熱線法

熱線法是應(yīng)用比較多的方法，是在樣品中插入一根熱線。測(cè)試時(shí)，在熱線上施加一個(gè)恒定的加熱功率，使其溫度上升。測(cè)量熱線本身或平行于熱線的一定距離上的溫度隨時(shí)間上升的關(guān)系。由于被測(cè)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(cè)量時(shí)間比較短，所測(cè)量材料的導(dǎo)熱系數(shù)范圍一般是 0.1W/mK 到幾十。熱線法在液體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量的應(yīng)用中具有重要的作用，國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）發(fā)布的液體物理化學(xué)性質(zhì)推薦表中，以甲苯（toluene）、純水作為液體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（CRM），而這些標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的一級(jí)參考數(shù)據(jù)均以熱線法獲得 。

導(dǎo)熱率激光閃射法

激光閃射法 的測(cè)量范圍很寬，但測(cè)得的是材料的熱擴(kuò)散系數(shù)，還需要知道試樣的比熱和密度，才能通過(guò)計(jì)算得到導(dǎo)熱系數(shù)λ，而測(cè)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(guò)多元函數(shù)對(duì)試樣表面溫度的響應(yīng)進(jìn)行擬合后便可計(jì)算出材料的導(dǎo)熱系數(shù)，適用廣泛，快捷，但針對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量精確度不一定高。2100433B

導(dǎo)熱率是材料的熱物性參數(shù)之一，也是固體最重要的熱物性參數(shù)。低導(dǎo)熱性能材料導(dǎo)熱率作為表征建筑節(jié)能與保溫材料物性的重要參數(shù)，其參數(shù)值的準(zhǔn)確測(cè)量有著非常重要的理論和使用價(jià)值。

導(dǎo)熱率穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱

導(dǎo)入物體的熱流量等于導(dǎo)出物體的熱流量，物體內(nèi)部各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間而變化的導(dǎo)熱過(guò)程。

導(dǎo)熱率非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱

導(dǎo)入和導(dǎo)出物體的熱流量不相等，物體內(nèi)任意一點(diǎn)的溫度和熱含量隨時(shí)間而變化的導(dǎo)熱過(guò)程，也稱為瞬態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程。

導(dǎo)熱率熱阻

將上面兩個(gè)公式合并，可以得到 K=d/R。因?yàn)镵值是不變的，可以看得出熱阻R值，同材料厚度d是成正比的。也就說(shuō)材料越厚，熱阻越大。

但如果仔細(xì)看一些導(dǎo)熱材料的資料，會(huì)發(fā)現(xiàn)很多導(dǎo)熱材料的熱阻值R，同厚度d并不是完全成正比關(guān)系。這是因?yàn)閷?dǎo)熱材料大都不是單一成分組成，相應(yīng)會(huì)有非線性變化。厚度增加，熱阻值一定會(huì)增大，但不一定是完全成正比的線性關(guān)系，可能是更陡的曲線關(guān)系。

根據(jù)R=A△T/Q這個(gè)公式，理論上來(lái)講就能測(cè)試并計(jì)算出一個(gè)材料的熱阻值R。但是這個(gè)公式只是一個(gè)最基本的理想化的公式，他設(shè)定的條件是：接觸面是完全光滑和平整的，所有熱量全部通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式經(jīng)過(guò)材料，并達(dá)到另一端。

實(shí)際這是不可能的條件。所以測(cè)試并計(jì)算出來(lái)的熱阻值并不完全是材料本身的熱阻值，應(yīng)該是材料本身的熱阻值 所謂接觸面熱阻值。因?yàn)榻佑|面的平整度、光滑或者粗糙、以及安裝緊固的壓力大小不同，就會(huì)產(chǎn)生不同的接觸面熱阻值，也會(huì)得出不同的總熱阻值。

所以國(guó)際上流行會(huì)認(rèn)可設(shè)定一種標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法和條件，就是在資料上經(jīng)常會(huì)看到的ASTM D5470。這個(gè)測(cè)試方法會(huì)說(shuō)明進(jìn)行熱阻測(cè)試時(shí)候，選用多大的接觸面積A，多大的熱量值Q，以及施加到接觸面的壓力數(shù)值。大家都使用同樣的方法來(lái)測(cè)試不同 的材料，而得出的結(jié)果，才有相比較的意義。

通過(guò)測(cè)試得出的熱阻R值，并不完全是真實(shí)的熱阻值。物理科學(xué)就是這樣，很多參數(shù)是無(wú)法真正的量化的，只是一個(gè)“模糊”的數(shù)學(xué)概念。通過(guò)這樣的“模糊”數(shù)據(jù)，人們可以將一些數(shù)據(jù)量化，而用于實(shí)際應(yīng)用。 此處所說(shuō)的“模糊” 是數(shù)學(xué)術(shù)語(yǔ)，“模糊”表示最為接近真實(shí)的近似。

而同樣道理，根據(jù)熱阻值以及厚度，再計(jì)算出來(lái)的導(dǎo)熱率K值，也并不完全是真正的導(dǎo)熱率值。

導(dǎo)熱率：物體傳導(dǎo)熱量的能力，又稱為熱導(dǎo)率，導(dǎo)熱系數(shù)。其導(dǎo)出式來(lái)源于傅立葉定律，定義為單位溫度梯度在單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)單位導(dǎo)熱面所傳遞的熱量。

傅里葉方程式：

Q=KA△T/d

R=A△T/Q

式中：

Q：熱量W

K：熱導(dǎo)率W/m.k

A：接觸面積

d：熱量傳遞距離

△T：溫度差

R：熱阻值

不同成分的導(dǎo)熱率差異較大，導(dǎo)致由不同成分構(gòu)成的物料的導(dǎo)熱率差異較大?？諝鉃闊岬牟涣紝?dǎo)體，單粒物料的導(dǎo)熱性能好于堆積物料；

導(dǎo)熱率K是材料本身的固有性能參數(shù)，用于描述材料的導(dǎo)熱能力。這個(gè)特性跟材料本身的大小、形狀、厚度都是沒(méi)有關(guān)系的，只是跟材料本身的成分有關(guān)系。所以同類材料的導(dǎo)熱率都是一樣的，并不會(huì)因?yàn)楹穸炔灰粯佣兓?

根據(jù)日本、美國(guó)的資料，各類耐熱玻璃的導(dǎo)熱率差異比較小，同種材質(zhì)，不透明耐熱玻璃的導(dǎo)熱率比透明耐熱玻璃的導(dǎo)熱率低1%，導(dǎo)熱率是溫度的函數(shù)，溫度高導(dǎo)熱率大。在0℃以下，耐熱玻璃的導(dǎo)熱率[1J/(m﹒s﹒℃)=0.0124W/（m﹒K），下同]為1.33J/(m﹒s﹒℃)，在100℃下式1.53J/(m﹒s﹒℃)。

1200℃耐熱玻璃在各種溫度范圍下的導(dǎo)熱率見(jiàn)下表：

物質(zhì) 狀態(tài) 導(dǎo)熱率(W/mK)

石墨烯 固態(tài) （4840±440）-（5300±480）

金剛石 固態(tài) 900-2320

碳納米管紙 固態(tài) 450-800

銀 固態(tài) 420

銅 固態(tài) 401

金 固態(tài) 318

鋁 固態(tài) 237

鉑 固態(tài) 70

鐵 固態(tài) 60

鋼 固態(tài) 60

鉛 固態(tài) 35

汞 液態(tài) 8.34

冰 固態(tài) 2

陶瓷 固態(tài) 1.22

玻璃 固態(tài) 1.1

水 液態(tài) 0.6

聚乙烯 固態(tài) 0.3

尼龍 固態(tài) 0.2

石蠟油 液態(tài) 0.2

石棉 固態(tài) 0.2

聚苯乙烯 固態(tài) 0.08

軟木塞 固態(tài) 0.05

采用在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的數(shù)據(jù)。對(duì)于氣體，值是對(duì)應(yīng)于cp。