導熱系數(shù)測量方法及區(qū)別
導熱系數(shù)的測量方法很多,根據(jù)不同的測量對象和測量范圍有各種適用的方法,在產(chǎn)品測量實踐的過程中主要可以分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法兩大類,兩種測量方法針對不同類型的產(chǎn)品具有各自不同的測試原理和優(yōu)勢。
1、動態(tài)法
動態(tài)法是最近幾十年內(nèi)新開發(fā)的測量方法,用于研究高導熱系數(shù)材料或在高溫度條件下進行測量。
其工作原理是:提供樣品一固定功率的熱源,記錄樣品本身溫度隨時間的變化情形,由時間與溫度變化的關(guān)系求得樣品的熱傳導系數(shù)、熱擴散系數(shù)和熱容。適合于測量高導熱系數(shù)材料或在高溫條件下的測量。適用于金屬、石墨烯、合金、陶瓷、粉末、纖維等同質(zhì)均勻的材料。
(1)激光閃射法
激光閃射法的測量范圍很寬,激光閃光法測量材料導熱系數(shù)的原理是根據(jù)導熱系數(shù)K與熱擴散系數(shù)a、比熱容cp和體積密度ρ三者之間的關(guān)系:
首先測出試樣的體積密度ρ, 然后分別或者同時測量出材料的熱擴散系數(shù)a和比熱容cp , 則可計算出材料的導熱系數(shù)。
測試類別:銅箔、鐵片、鋁片、石墨烯、合金、塑料、陶瓷、橡膠、多層復合材料、粉末、纖維(需壓片)等各向同性、均質(zhì)、不透光的材料。
(2)瞬態(tài)熱線法
瞬態(tài)熱線法是應用比較多的方法,是在樣品(通常為大的塊狀樣品)中放入一根熱線。測試時,在熱線上施加一個恒定的加熱功率,使其溫度上升。測量熱線本身或平行于熱線的一定距離上的溫度隨時間上升的關(guān)系。由于被測材料的導熱性能決定這一關(guān)系,由此可得到材料的導熱系數(shù)。這種方法測量時間比較短,所測量材料的導熱系數(shù)范圍一般是 0.1W/mK 到幾十之間。
現(xiàn)在研究較多的是瞬態(tài)熱線法,因為理論上來講,熱線法是固體、液體、氣體的導熱系數(shù)都是可以測量的,是現(xiàn)在國際導熱系數(shù)研究領(lǐng)域內(nèi)公認的最好的測試方法。但是真正能把熱線法做好也是很不容易的,需要特別專業(yè)的科研人員花很長時間研究,如果只是照著一些國內(nèi)或國際標準做出來的儀器,也是會有很多問題的。
2、穩(wěn)態(tài)法
穩(wěn)態(tài)法是一種基準方法,最開始是用于檢測其他方法精度的依據(jù)。但是實際上,穩(wěn)態(tài)法能準確測量的影響因素太多,而且操作不方便,需要操作人員具有比較強的專業(yè)知識,所以現(xiàn)在連國外基本都不用穩(wěn)態(tài)法了,改而研究瞬態(tài)法。國內(nèi)市場上現(xiàn)有的儀器恐怕多少都會有些技術(shù)上的問題是沒有解決的,所以精度和穩(wěn)定性方面還會有些問題。但是穩(wěn)態(tài)法是經(jīng)典的保溫材料的導熱系數(shù)測定方法,至今仍受到廣泛應用。其原理是利用穩(wěn)定傳熱過程中,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)熱傳導模型,由通過試樣的熱流密度、兩側(cè)溫差和厚度,計算得到導熱系數(shù)。穩(wěn)態(tài)法適合在中等溫度下測量的導熱系數(shù)材料。適用于巖土、塑料、橡膠、玻璃、絕熱保溫材料等低導熱系數(shù)材料。
(1)熱流計法
熱流計法是一種比較法,是用校正過的熱流傳感器測量通過樣品的熱流,得到的是導熱系數(shù)的絕對值。測量時,將厚度一定的樣品**于兩個平板間,設置一定的溫度梯度。使用校正過的熱流傳感器測量通過樣品的熱流,傳感器在平板與樣品之間和樣品接觸。測量樣品的厚度、上下板間的溫度梯度及通過樣品的熱流便可計算試樣的導熱系數(shù)。熱流法測試材料的導熱系數(shù)范圍比較窄(0.015-5W/m·k),溫度范圍為熱板90℃,冷板0℃~70℃。
(2) 護熱平板法
護熱平板法其工作原理和熱流法相似。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試樣品完全吸收。測量過程中,精確設定輸入到熱板上的能量。通過調(diào)整輸入到輔助加熱器上的能量,對熱源與輔助板之間的測量溫度和溫度梯度進行調(diào)整。熱板周圍的保護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。測量加到熱板上的能量、溫度梯度及兩片樣品的厚度,便能夠算出材料的導熱系數(shù)。護熱平板法是直接測量絕熱材料和建筑材料的導熱系數(shù)與熱阻,導熱系數(shù)范圍:0.0015~0.8 W/m·K,應用領(lǐng)域包括:纖維板、礦棉、泡沫塑料、真空絕熱板、復合板,木材等材料。
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