熱導(dǎo)率研究方法

通常，物質(zhì)的導(dǎo)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(zhì)微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，以量子力學(xué)和統(tǒng)計力學(xué)為基礎(chǔ)，通過研究物質(zhì)的導(dǎo)熱機理，建立導(dǎo)熱的物理模型，經(jīng)過復(fù)雜的數(shù)學(xué)分析和計算可以獲得熱導(dǎo)率。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，因此對于熱導(dǎo)率實驗測試方法和技術(shù)的探索，仍是物質(zhì)熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)的主要來源。

又稱導(dǎo)熱系數(shù)，反映物質(zhì)的熱傳導(dǎo)能力，按傅立葉定律（見熱傳導(dǎo)），其定義為單位溫度梯度（在1m長度內(nèi)溫度降低1K）在單位時間內(nèi)經(jīng)單位導(dǎo)熱面所傳遞的熱量。

熱導(dǎo)率λ很大的物體是優(yōu)良的熱導(dǎo)體；而熱導(dǎo)率小的是熱的不良導(dǎo)體或為熱絕緣體。λ值受溫度影響，隨溫度增高而稍有增加。若物質(zhì)各部之間溫度差不很大時，在實用上對整個物質(zhì)可視λ為一常數(shù)。晶體冷卻時，它的熱導(dǎo)率增加極快。

各種物質(zhì)的熱導(dǎo)率數(shù)值主要靠實驗測定，其理論估算是近代物理和物理化學(xué)中一個活躍的課題。熱導(dǎo)率一般與壓力關(guān)系不大，但受溫度的影響很大。純金屬和大多數(shù)液體的熱導(dǎo)率隨溫度的升高而降低，但水例外；非金屬和氣體的熱導(dǎo)率隨溫度的升高而增大。傳熱計算時通常取用物料平均溫度下的數(shù)值。此外，固態(tài)物料的熱導(dǎo)率還與它的含濕量、結(jié)構(gòu)和孔隙度有關(guān)。一般含濕量大的物料熱導(dǎo)率大。如干磚的熱導(dǎo)率約為0.27W/(m·K)而濕磚熱導(dǎo)率為0.87W/(m·K)。物質(zhì)的密度大，其熱導(dǎo)率通常也較大。金屬含雜質(zhì)時熱導(dǎo)率降低，合金的熱導(dǎo)率比純金屬低。各類物質(zhì)的熱導(dǎo)率〔W/(m·K)〕的大致范圍是：金屬為50～415，合金為12～120，絕熱材料為0.03～0.17，液體為0.17～0.7，氣體為0.007～0.17,碳納米管高達1000以上。鉆石的熱導(dǎo)率在已知礦物中最高。

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

采用在標準狀況下的數(shù)據(jù)。對于氣體，值是對應(yīng)于cp。

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的高分子材料和納米材料不斷涌現(xiàn)出來。而對于各種新物質(zhì)新材料的熱導(dǎo)率實驗測定，將開啟一個全新與未知的領(lǐng)域，這必然會帶動現(xiàn)代物理學(xué)科的一次新飛躍。同時也將為新型導(dǎo)熱材料和新型隔熱材料的開發(fā)與研究打下堅實的理論基礎(chǔ)。此舉將對未來的空間探索活動和海洋探索活動提供強大的理論與物質(zhì)支持。人們希望得到高熱導(dǎo)率并且具有很好機械性能的材料，來解決電子產(chǎn)品的很重要的散熱問題，基于碳納米管的獨特性能，來自清華大學(xué)的研究人員制備出的高性能的碳納米管紙在將來作為導(dǎo)熱材料有很大的應(yīng)用前景。 2100433B

根據(jù)以上分析，有效熱導(dǎo)率的計算可分為以下幾種情況。

有效熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率為常數(shù)的平板

（1）無熱源的情形

如圖1，為無熱源平板，兩壁面溫度分別為T₁與T₂，熱導(dǎo)率為λ，板內(nèi)溫度分布為：

（2）熱源強度為常數(shù)q''的情形

此情形下，板內(nèi)溫度分布呈拋物線：

通過平板的熱流密度在不同處不再相同。

在x=0處，

在x=L處，

在x=L/2處，

當(dāng)

顯然，λ'<λ，對應(yīng)圖2中比較平坦的一條虛線。在計算q₂時，有效熱導(dǎo)率為：

有效熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率隨溫度變化的平板

在實際工程材料中，熱導(dǎo)率大都是溫度的函數(shù)，它隨溫度而變化的規(guī)律不盡相同。作為一階近似，假如它隨溫度的變化規(guī)律滿足下式，其中λ₀和a為常數(shù)：

（1）溫度變化的無熱源平板

板內(nèi)溫度分布滿足下列導(dǎo)熱微分方程：

在已知板的兩壁面溫度為T₁與T₂的條件下，板內(nèi)溫度分布如圖3所示，其函數(shù)形式為：

相應(yīng)的熱流密度為

由此計算得到有效熱導(dǎo)率λ'為

該結(jié)論也可用于圓筒壁與球壁的計算，只是在圓筒壁與球壁中不用熱流密度而用單位長度熱流量q_t與總熱流量Q來代替。

（2）溫度變化的有熱源平板

對照無熱源平板公式，此時板內(nèi)溫度分布滿足下列導(dǎo)熱微分方程：

在已知板的兩壁面溫度為T₁與T₂的條件下，板內(nèi)溫度分布圖4所示，其函數(shù)形式為：

板內(nèi)的熱流密度在不同x處是不同的，在x=0，x=L與x=L/2處的q₀、q_L與q_L/2與熱導(dǎo)率為常數(shù)的有熱源平板計算公式相同。

有效熱導(dǎo)率雙層復(fù)合材料平板

（1）熱導(dǎo)率分別為常數(shù)λ₁與λ₂的情形

兩層板內(nèi)的熱流密度為：

把兩層材料視為一種材料，可表示為：

其中λ'為有效熱導(dǎo)率：

（2）熱導(dǎo)率分別為常數(shù)λ₁=λ₀₁ a₁與λ₂=λ₀₁ a₂的情形

由前面分析可知，當(dāng)a1>0與a2<0時，板內(nèi)的溫度分布曲線如圖5所示，板內(nèi)的熱流密度為：

當(dāng)把雙層材料復(fù)合平板視為一塊平板時，則有：

其中λ₁'、λ₂'與λ'分別為：

方法簡介

實驗室熱導(dǎo)率測量有穩(wěn)態(tài)法和瞬時法兩種。常應(yīng)用穩(wěn)定平板式巖石熱導(dǎo)儀、穩(wěn)定分棒式巖石熱導(dǎo)儀等穩(wěn)態(tài)法，測量巖石熱導(dǎo)率。就地測量方法一般采用非穩(wěn)態(tài)法，即瞬時法。通常用一根直徑與長度比小于1：30的探棒插入松散沉積物中，探棒里有一個電熱器和測溫用的熱敏電阻。用已知并恒定的速率加熱探棒，記錄其溫升值。溫升的大小是加熱時間和周圍物質(zhì)熱導(dǎo)率的函數(shù)。用溫度相對于時間的對數(shù)作圖，就可以得到測量數(shù)據(jù)的最簡判讀方法，也可以通過計算直接算出周圍物質(zhì)的熱導(dǎo)率。此外，還應(yīng)用非穩(wěn)定環(huán)形熱源——微形探針巖石熱導(dǎo)儀等非穩(wěn)態(tài)法。就地測量方法適用于深海沉積物、土壤、砂和冰雪等，其優(yōu)點是能夠測得原始狀態(tài)下的熱性質(zhì)，但測量結(jié)果只能反映測量儀器周圍物質(zhì)的瞬時熱狀態(tài) 。2100433B

熱導(dǎo)率換算是一個物理學(xué)術(shù)語。

1千卡（米·時·℃）〔kcal/(m·h·℃)〕 =1.16279瓦/（米·開爾文）〔W/(m·K)〕 1 英熱單位/（英尺·時·°F）〔But/(ft·h·°F) =1.7303瓦/（米·開爾文）〔W/(m·K)〕2100433B