摘 要：本文介紹了導(dǎo)熱系數(shù)的五種測試方法，描述各種方法的測試原理及其計(jì)算方法。材料導(dǎo)熱系數(shù)測試方法各有其特點(diǎn)，在選擇時，應(yīng)該充分考慮測試材料的性質(zhì)、導(dǎo)熱系數(shù)范圍、測試溫度等。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)熱系數(shù)；熱流計(jì)法；防護(hù)熱板法；圓管法；熱線法；閃光法

1 前 言

導(dǎo)熱系數(shù)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，在1s內(nèi)，通過1m2面積傳遞的熱量，用λ表示，單位為W/m·K。陶瓷材料的導(dǎo)熱系數(shù)是測量其熱物理性質(zhì)的關(guān)鍵。陶瓷耐火材料常被用作爐子的襯套，因?yàn)樗鼈兗饶苣透邷兀志哂辛己玫慕^熱特性，可以減少生產(chǎn)中的能量損耗。航天飛機(jī)常使用陶瓷瓦作擋熱板。陶瓷瓦能承受航天飛機(jī)回到地球大氣層時產(chǎn)生的高溫，有效防止航天器內(nèi)部關(guān)鍵部件的損壞。在現(xiàn)代化的燃?xì)鉁u輪電站，渦輪的葉片上的陶瓷涂層（如穩(wěn)定氧化鋯）能保護(hù)金屬基材不受腐蝕，降低基材上的熱應(yīng)力。作為有效的散熱器能保護(hù)集成電路板與其它電子設(shè)備不受高溫?fù)p壞，陶瓷已經(jīng)成為微電子工業(yè)領(lǐng)域的關(guān)鍵材料。若要在和熱相關(guān)的領(lǐng)域使用陶瓷材料，則要求精確測量它們的物理性能。

熱量傳遞的三種基本方式是：對流、輻射與傳導(dǎo)。對流是流體與氣體的主要傳熱方式，對固態(tài)與多孔材料傳熱不起重要作用。對于半透明與透明陶瓷材料，尤其在高溫情況下，必須考慮輻射傳熱，除了材料的光學(xué)性質(zhì)外，邊界狀況亦能影響傳熱。對于陶瓷材料而言，傳導(dǎo)是最重要的傳熱方式，熱量的傳導(dǎo)基于材料的導(dǎo)熱性能——傳導(dǎo)熱量的能力。

2 導(dǎo)熱系數(shù)的測試方法

常用的導(dǎo)熱系數(shù)測試方法有：熱流計(jì)法、防護(hù)熱板法、圓管法、熱線法、閃光法。

（1） 熱流計(jì)法

熱流計(jì)法[1]是一種間接或相對的方法。它是測試試件的熱阻與標(biāo)準(zhǔn)試件熱阻的比值。當(dāng)熱板和冷板在恒定溫度和溫差的穩(wěn)定狀態(tài)下，熱流計(jì)裝置在熱流計(jì)中心區(qū)域和試件中心區(qū)域建立一個單向穩(wěn)定熱流密度，該熱流穿過一個（或兩個）熱流計(jì)的測量區(qū)域及一個（或兩個接近相同）試件的中間區(qū)域。假定測量區(qū)域具有穩(wěn)定的熱流密度，以及穩(wěn)定的溫差和平均溫度。用標(biāo)準(zhǔn)試件測得的熱流量為Qs、為熱阻Rs，被測試件測得的熱流量為Qu、熱阻為Ru，其比值為：

由式（1）可計(jì)算出Ru，如果滿足確定導(dǎo)熱系數(shù)的條件，且試件厚度d已知，可由公式（2）算出試件的導(dǎo)熱系數(shù)λ。

（2） 防護(hù)熱板法

防護(hù)熱板法[2]的工作原理和熱流法相似，其測試方法是目前公認(rèn)的準(zhǔn)確度最高的，可用于基準(zhǔn)樣品的標(biāo)定和其他儀器的校準(zhǔn)，其實(shí)驗(yàn)裝置多采用雙試件結(jié)構(gòu)。其原理是在穩(wěn)態(tài)條件下，在具有平行表面的均勻板狀試件內(nèi)，建立類似于兩個平行的溫度均勻的平面為界的無限大平板中存在的一維的均勻熱流密度。雙試件裝置中，由兩個幾乎相同的試件組成，然后其中夾一個加熱單元，加熱單元由一個圓或方形的中間加熱器和兩塊金屬板組成。熱流量由加熱單元分別經(jīng)兩側(cè)試件傳給兩側(cè)冷卻單元。當(dāng)計(jì)量單元達(dá)到穩(wěn)定傳熱狀態(tài)后，測量出熱流量φ以及此熱流量流過的計(jì)量面的面積A，即可確定熱流密度q。由固定于金屬板表面或在試件表面適當(dāng)位置的溫度傳感器測量試件兩側(cè)的溫度差ΔT，熱阻R可由Q、A和ΔT計(jì)算得出，計(jì)算方法如下：

當(dāng)滿足一定條件時，測定試件的厚度d，由式（2）可計(jì)算出試件的平均導(dǎo)熱系數(shù)λ。

（3） 圓管法

圓管法[3]是根據(jù)圓筒壁一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱原理，測定單層或多層圓管絕熱結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)的一種方法。根據(jù)傅立葉定律，在一維、徑向、穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的條件下，管狀絕熱材料的結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)可采用式（4）計(jì)算：

式中：

Q——通過絕熱材料的熱量，W；

d2——絕熱材料外表面直徑，m；

d1——絕熱材料內(nèi)表面直徑，m；

t2——絕熱材料外表面溫度，℃；

t1——絕熱材料內(nèi)表面溫度，℃；

l——絕熱材料的有效長度，m。

如果絕熱材料在管道上使用，則必須根據(jù)使用狀況用圓管法進(jìn)行測定。因?yàn)閳A管法能將絕熱材料在管道上的實(shí)際使用狀況，如絕熱材料間的縫隙及材料的彎曲等因素都反映在測試結(jié)果中。

（4） 熱線法

熱線法[4]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。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)，可采用式（5）計(jì)算：

式中：

λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

I——熱線加熱電流，A；

U——熱線A、B間的端電壓，V；

L——電壓引出端A、B間熱線的長度，m；

R——測定溫度下熱線A、B間的電阻，Ω；

t1、t2——從加熱時起至測量時刻的時間，s；

θ1、θ2——t1和t2時刻熱線的溫升，℃。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品價(jià)格便宜、測量速度快，對樣品尺寸要求不太嚴(yán)格。缺點(diǎn)是分析誤差比較大，一般為 5％~10％。這種方法不僅適用于干燥材料，而且還適用于含濕材料。該法適用于導(dǎo)熱系數(shù)小于2W/m·K的各向同性均質(zhì)材料導(dǎo)熱系數(shù)的測定。

（5） 閃光法

閃光法[5]可看作是一種絕對的試驗(yàn)方法，適用測量溫度為75~2800K，熱擴(kuò)散系數(shù)在10-7~10-3m2/s時的均勻各向同性固體材料。測試原理為：小的圓薄片試樣受高強(qiáng)度短時能量脈沖輻射，試樣正面吸收脈沖能量使背面溫度升高，記錄試樣背面溫度的變化。根據(jù)試樣厚度和背面溫度達(dá)到最大值的某一百分率所需時間，計(jì)算出試樣的熱擴(kuò)散系數(shù)（α），然后根據(jù)材料的熱擴(kuò)散系數(shù)和體積密度及比熱容，計(jì)算出材料的導(dǎo)熱系數(shù)(λ)。熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算公式如（6）和（7）：

α＝0.13879L2/t1/2（6）

式中：

α——熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

L——試樣厚度，m；

t1/2——起始脈沖開始到試樣背面溫度升至最高時所需的一半時間，s。

λ=αcpρ（7）

式中：

λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K；

α——熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

cp——試樣比熱容，J/（kg·K）；

ρ——試樣體積密度，kg/m3。

從原理上講，試樣的熱擴(kuò)散系數(shù)根據(jù)試樣的厚度、熱量從正面?zhèn)鬟f到背面的特征時間函數(shù)來確定。試驗(yàn)的不確定度和很多因素有關(guān)，包括試驗(yàn)本身、測定的溫度、探測器性能、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析（特別是有限脈沖時間的影響）、試驗(yàn)的不均勻加熱和熱輻射損失。對這些不確定度的原因可進(jìn)行系統(tǒng)考慮，并對每次試驗(yàn)進(jìn)行仔細(xì)分析。該方法具有試樣幾何結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、易于加工、測速快、設(shè)備單一等特點(diǎn)。

3 結(jié) 語

材料的導(dǎo)熱系數(shù)測試方法主要有熱流法、防護(hù)熱板法、圓管法、熱線法以及閃光法。各種方法都有不同的特點(diǎn)，應(yīng)綜合考慮被測試樣的性質(zhì)、形狀、導(dǎo)熱系數(shù)的范圍、測量溫度等因素，選用合適的導(dǎo)熱系數(shù)測試方法。

參考文獻(xiàn)

[1] GB/T 10295-2008，絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定熱流

法.

[2] GB/T 10294-2008，絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定防護(hù)

熱板法.

[3] GB/T 10296-2008，絕熱層穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的測定圓管法.

[4] GB/T 10297-1998，非金屬固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測定方法.

[5] GB/T 22588-2008，閃光法測量熱擴(kuò)散系數(shù)或?qū)嵯禂?shù).