导热系数测试方法介绍

导热系数的测量方法主要分为稳态法和动态法两大类别。

稳态法通过傅里叶热传导定律,将传热问题简化为一维问题,如保护热板法(GHP)通过控制温度梯度,测量通过样品的热量;保护热流计法测量热通量;直接加热法适用于金属,通过测量电压降和温度计算热导率;管道法则利用径向热流,如管道法设计包括核心加热器和保温层。

优点包括简单数学模型,适用于低电导率样品,时间消耗相对可接受,部分适用于非均匀材料,但对于复杂几何形状和高水分样品存在局限性。

动态法则更注重快速测量,如热线法(THW)通过导线加热并测量温升速度;加热针探头法适用于颗粒状材料;动态热条法通过带材温度响应计算热导率;热盘法(TPS)是动态技术,如Gustafsson探针,适用于快速且准确测量;激光闪光法适用于广泛温度范围,测量固体特性;光热法则基于光的吸收特性,通过检测热态变化。

标准测试方法包括ASTM和DIN EN等国际标准,涉及多种设备和应用场景,如防护热板、热流计、热箱、激光等,以及专门针对特定材料和环境的测试方法。

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常见导热系数的测量方法

导热系数是材料传递热量能力的度量。

测量方法主要分为稳态法和瞬态法。

在稳态法中,通过热源加热样品直至形成稳定温度场,利用傅里叶定律计算导热系数。

瞬态法通过监测表面温度变化速率确定热扩散系数,进而计算导热系数。

热扩散系数是高温区热量传递至低温区速率的快慢,数值等于导热系数与体积热容之比。

傅里叶定律描述物体内热流密度与温度梯度成正比,传热方向由高温向低温,温度梯度相反。

常用稳态测量方法包括热板法、防护热板法、热流计法和防护热流计法,适用于低导热性能材料。

瞬态法如热线法、热带法、激光闪射法和瞬态板式热源法(TPS),在高导热材料和高温测量中更可靠。

热板法通过稳定一维传热过程,根据傅里叶定律计算导热系数。

防护热板法减少侧边热损失。

热流计法测量样品厚度、上下表面温度及热流量,计算导热系数。

其简单快速,适用于导热系数小于20W/(m.K)的材料,也可用于液体导热系数测定。

但对样品尺寸要求苛刻,侧面热对流和辐射损失影响测试结果。

热线法将金属线作为测试系统热源,通过金属线温度变化率计算导热系数。

优点是消除样品边界与环境热对流的影响。

热带法使用较薄金属片作为加热元件和温度传感器,适用于松散材料和非导电固体,测试结果重复性和准确性高。

激光闪射法利用激光加热,通过非线性拟合温度与时间曲线,计算材料热扩散系数和导热系数。

瞬态板式热源法(TPS)结合了以上方法的优点,采用薄膜式传感器,适用于多孔类、透明型材料测量,避免接触热阻影响,直接测量温升,简化过程并获得热物理性质参数。

瞬态板式热源法(TPS)相比其他测试方法,具有不破坏样品、测量多孔和透明材料方便、探头与样品接触热阻不影响结果、直接测量温升、可同时获得导热率、热扩散系数和体积热容参数、支持单向或双向测量以保证最高精确度等优势。

该方法适用于固体、粉末、液体、气体、薄膜以及各向异性材料的测定。

怎么测量导热系数?

热的良导体测量导热系数的常用方法有稳态法和瞬态法。

导热系数是指单位时间内在单位温度梯度下沿热流方向通过材料单位面积传递的热量,热传导是热量传输的重要方式之一,也是热交换现象三种基本形式,传导,对流,辐射中的一种。

热的良导体测量导热系数的稳态法

稳态法是经典的保温材料的导热系数测定方法,至今仍受到广泛应用,其原理是利用稳定传热过程中,传热速率等于散热速率的平衡状态,根据傅里叶一维稳态热传导模型,由通过试样的热流密度,两侧温差和厚度,计算得到导热系数。

瞬态法是最近几十年内开发的导热系数测量方法,用于研究中,高导热系数材料,或在高温度条件下进行测量,瞬态法的特点是精确性高,测量范围宽,高能达到2000摄氏度,样品制备简单。

热线法是在样品,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,测量热线本身或与热线相隔一定距离的平板的温度随时间上升的关系。

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