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导热系数测试方法的综述
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  【摘要】本文介绍了导热系数的五种测试方法,描述各种方法的测试原理及其计算方法。材料导热系数测试方法各有其特点,在选择时,应该充分考虑测试材料的性质、导热系数范围、测试温度等。

  关键词:导热系数;热流计法;防护热板法;圆管法;热线法;闪光法
  
  1 前 言
  
   导热系数是指在稳定传热条件下,1m厚的材料,两侧表面的温差为1K,在1s内,通过1m2面积传递的热量,用λ表示,单位为W/m?K。陶瓷材料的导热系数是测量其热物理性质的关键。陶瓷耐火材料常被用作炉子的衬套,因为它们既能耐高温,又具有良好的绝热特性,可以减少生产中的能量损耗。航天飞机常使用陶瓷瓦作挡热板。陶瓷瓦能承受航天飞机回到地球大气层时产生的高温,有效防止航天器内部关键部件的损坏。在现代化的燃气涡轮电站,涡轮的叶片上的陶瓷涂层(如稳定氧化锆)能保护金属基材不受腐蚀,降低基材上的热应力。作为有效的散热器能保护集成电路板与其它电子设备不受高温损坏,陶瓷已经成为微电子工业领域的关键材料。若要在和热相关的领域使用陶瓷材料,则要求精确测量它们的物理性能。
   热量传递的三种基本方式是:对流、辐射与传导。对流是流体与气体的主要传热方式,对固态与多孔材料传热不起重要作用。对于半透明与透明陶瓷材料,尤其在高温情况下,必须考虑辐射传热,除了材料的光学性质外,边界状况亦能影响传热。对于陶瓷材料而言,传导是最重要的传热方式,热量的传导基于材料的导热性能――传导热量的能力。
  
  2 导热系数的测试方法
  
   常用的导热系数测试方法有:热流计法、防护热板法、圆管法、热线法、闪光法。
   (1) 热流计法
   热流计法[1]是一种间接或相对的方法。它是测试试件的热阻与标准试件热阻的比值。当热板和冷板在恒定温度和温差的稳定状态下,热流计装置在热流计中心区域和试件中心区域建立一个单向稳定热流密度,该热流穿过一个(或两个)热流计的测量区域及一个(或两个接近相同)试件的中间区域。假定测量区域具有稳定的热流密度,以及稳定的温差和平均温度。用标准试件测得的热流量为Qs、为热阻Rs,被测试件测得的热流量为Qu、热阻为Ru,其比值为:
   由式(1)可计算出Ru,如果满足确定导热系数的条件,且试件厚度d已知,可由公式(2)算出试件的导热系数λ。
   (2) 防护热板法
   防护热板法[2]的工作原理和热流法相似,其测试方法是目前公认的准确度最高的,可用于基准样品的标定和其他仪器的校准,其实验装置多采用双试件结构。其原理是在稳态条件下,在具有平行表面的均匀板状试件内,建立类似于两个平行的温度均匀的平面为界的无限大平板中存在的一维的均匀热流密度。双试件装置中,由两个几乎相同的试件组成,然后其中夹一个加热单元,加热单元由一个圆或方形的中间加热器和两块金属板组成。热流量由加热单元分别经两侧试件传给两侧冷却单元。当计量单元达到稳定传热状态后,测量出热流量φ以及此热流量流过的计量面的面积A,即可确定热流密度q。由固定于金属板表面或在试件表面适当位置的温度传感器测量试件两侧的温度差ΔT,热阻R可由Q、A和ΔT计算得出,计算方法如下:
   当满足一定条件时,测定试件的厚度d,由式(2)可计算出试件的平均导热系数λ。
   (3) 圆管法
   圆管法[3]是根据圆筒壁一维稳态导热原理,测定单层或多层圆管绝热结构导热系数的一种方法。根据傅立叶定律,在一维、径向、稳态导热的条件下,管状绝热材料的结构导热系数可采用式(4)计算:
   式中:
   Q――通过绝热材料的热量,W;
   d2――绝热材料外表面直径,m;
   d1――绝热材料内表面直径,m;
   t2――绝热材料外表面温度,℃;
   t1――绝热材料内表面温度,℃;
   l――绝热材料的有效长度,m。
   如果绝热材料在管道上使用,则必须根据使用状况用圆管法进行测定。因为圆管法能将绝热材料在管道上的实际使用状况,如绝热材料间的缝隙及材料的弯曲等因素都反映在测试结果中。
   (4) 热线法
   热线法[4]是应用比较多的方法,是在样品(通常为大的块状样品)中插入一根热线。测试时,在热线上施加一个恒定的加热功率,使其温度上升。由于被测材料的导热性能决定这一关系,由此可得到材料的导热系数,可采用式(5)计算:
   式中:
   λ――导热系数,W/(m?K);
   I――热线加热电流,A;
   U――热线A、B间的端电压,V;
   L――电压引出端A、B间热线的长度,m;
   R――测定温度下热线A、B间的电阻,Ω;
   t1、t2――从加热时起至测量时刻的时间,s;
   θ1、θ2――t1和t2时刻热线的温升,℃。
   这种方法的优点是产品价格便宜、测量速度快,对样品尺寸要求不太严格。缺点是分析误差比较大,一般为 5%~10%。这种方法不仅适用于干燥材料,而且还适用于含湿材料。该法适用于导热系数小于2W/m?K的各向同性均质材料导热系数的测定。
   (5) 闪光法
   闪光法[5]可看作是一种绝对的试验方法,适用测量温度为75~2800K,热扩散系数在10-7~10-3m2/s时的均匀各向同性固体材料。测试原理为:小的圆薄片试样受高强度短时能量脉冲辐射,试样正面吸收脉冲能量使背面温度升高,记录试样背面温度的变化。根据试样厚度和背面温度达到最大值的某一百分率所需时间,计算出试样的热扩散系数(α),然后根据材料的热扩散系数和体积密度及比热容,计算出材料的导热系数(λ)。热扩散系数和导热系数的计算公式如(6)和(7):
   α=0.13879L2/t1/2(6)
   式中:
   α――热扩散系数,m2/s;
   L――试样厚度,m;
   t1/2――起始脉冲开始到试样背面温度升至最高时所需的一半时间,s。
   λ=αcpρ(7)
   式中:
   λ――导热系数,W/m?K;
   α――热扩散系数,m2/s;
   cp――试样比热容,J/(kg?K);
   ρ――试样体积密度,kg/m3。
   从原理上讲,试样的热扩散系数根据试样的厚度、热量从正面传递到背面的特征时间函数来确定。试验的不确定度和很多因素有关,包括试验本身、测定的温度、探测器性能、数据采集系统、数据分析(特别是有限脉冲时间的影响)、试验的不均匀加热和热辐射损失。对这些不确定度的原因可进行系统考虑,并对每次试验进行仔细分析。该方法具有试样几何结构简单、尺寸小、易于加工、测速快、设备单一等特点。
  
  3 结 语
  
   材料的导热系数测试方法主要有热流法、防护热板法、圆管法、热线法以及闪光法。各种方法都有不同的特点,应综合考虑被测试样的性质、形状、导热系数的范围、测量温度等因素,选用合适的导热系数测试方法。
  
  参考文献
  [1] GB/T 10295-2008,绝热材料稳态热阻及有关特性的测定热流
   法.
  [2] GB/T 10294-2008,绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护
   热板法.
  [3] GB/T 10296-2008,绝热层稳态传热性质的测定圆管法.
  [4] GB/T 10297-1998,非金属固体材料导热系数的测定方法.
  [5] GB/T 22588-2008,闪光法测量热扩散系数或导热系数.


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