导热仪原理和特点

科学指南针可提供导热系数测试服务。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，单位为瓦每米开尔文[W/(m·K)] 。

导热仪，又称为热导仪、导热系数测定仪，是一种测量样品（固体、液体或粉末）的导热系数随温度的函数关系的仪器。

导热系数的工作原理
导热率，又称为热导率、导热系数，定义为单位温度梯度在单位时间内经单位导热面所传递的热量。表示物体传导热量的能力。其导出式来源于傅立叶定律：

Q=KA△T/d

R=△T/Q

式中：Q：热量W

K：热导率W/m.k

A：接触面积

d：热量传递距离

△T：温度差

R：热阻值

根据导热机理不同，导热系数测量方法分为稳态法和瞬态法（也叫做非稳态法）两大类。

1、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。原理简单清晰，精确度高，但测量时间较长，对样品和环境条件要求较高。

（1）热流法
将厚度一定的方形样品（例如长宽各30cm，厚10cm）插入于两个平板间，设置一定的温度梯度。使用校正过的热流传感器测量通过样品的热流。测量样品厚度、温度梯度与通过样品的热流便可计算导热系数。

（2）保护热流法导热仪
其测量原理几乎与普通的热流法导热仪相同。不同之处是测量单元被保护加热器所包围，因此测量温度范围和导热系数范围更宽。

（3）保护热板法导热仪

热板法或保护热板法导热仪的工作原理和使用热板与冷板的热流法导热仪相似。热源位于同一材料的两块样品中间。使用两块样品是为了获得向上与向下方向对称的热流，并使加热器的能量被测试样品完全吸收。测量过程中，精确设定输入到热板上的能量。通过调整输入到辅助加热器上的能量，对热源与辅助板之间的测量温度和温度梯度进行调整。热板周围的保护加热器与样品的放置方式确保从热板到辅助加热器的热流是线性的、一维的。辅助加热器后是散热器，散热器和辅助加热器接触良好，确保热量的移除与改善控制。测量加到热板上的能量、温度梯度及两片样品的厚度，应用Fourier方程便能够算出材料的导热系数。

2、动态（瞬时）测量法
动态测量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。动态法的特点是精确性高、测量范围宽（最高能达到2000℃）、样品制备简单。

（1）热线法：
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。

测量热线的温升有多种方法。其中交叉线法是用焊接在热线上的热电偶直接测量热线的温升。平行线法是测量与热线隔着一定距离的一定位置上的温升。热阻法是利用热线（多为铂丝）电阻与温度之间的关系测量热线本身的温升。一般来说，交叉线法适用于导热系数低于2W/m·K的样品，热阻法与平行线法适用于导热系数更高的材料，其测量上线分别为15 W/m·K与20W/m·K。

（2）激光闪射法：
激光闪射法直接测量材料的热扩散性能。在已知样品比热与密度的情况下，便可以得到样品的导热系数。

应用激光闪射法时，样品在炉体中被加热到所需的测试温度。随后，由激光器产生的一束短促激光脉冲对样品的前表面进行加热。热量在样品中扩散，使样品背部的温度上升。用红外探测器测量温度随时间上升的关系。 根据非稳态导热过程的数学模型，即可确定试样的热扩散率。

导热系数的应用
导热系数是一种重要的物理量。导热仪主要用于金属与合金、钻石、陶瓷、石墨与碳纤维、填充塑料、高分子材料等的测试。

导热系数的分类

1、稳态法导热仪

（1）热流法导热仪
热流计法是一种比较法，是用校正过的热流传感器测量通过样品的热流，得到的是导热系数的绝对值。测量时，将厚度一定的样品插入于两个平板间，设置一定的温度梯度。使用校正过的热流传感器测量通过样品的热流，传感器在平板与样品之间和样品接触。测量样品的厚度、上下板间的温度梯度及通过样品的热流便可计算导热系数。

热流法是目前国际上比较流行的测量方法。除固体材料，还可用于多孔纤维、聚合物基复合材料、高分子材料等的导热系数的测定。该仪器的优点是易于操作，精度高，测量速度快（仅为同类产品的四分之一）。 缺点在于测量材料的导热系数范围比较窄（能测量导热系数在0.005到0.5W/m·K之间的材料），温度范围有限，只能测量低导热系数材料和绝热保温材料。

（2）保护热流法导热仪
对于较大的、需要较高量程的样品，可以使用保护热流法导热仪。其测量原理几乎与普通的热流法导热仪相同。不同之处是测量单元被保护加热器所包围，因此测量温度范围和导热系数范围更宽。

（3）保护热板法导热仪
护热平板法其工作原理和热流法相似，是目前公认的准确度最高的方法，可用于基准样品的标定和其他仪器的校准，实验装置多采用双试件结构。

相比热流法，保护热板法的优点是温度范围宽（-180到700℃）与量程广（最高可达2W/m·K）。此外，保护热板法使用的是绝对法——无需对测量单元进行标定。缺点就是，测量时间长，仪器价格昂高，并且不能研究湿材料的热传导性能，不能用于薄膜、涂层等厚度小的样品。

2、动态（瞬时）测量法 导热仪
动态测量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。动态法的特点是精确性高、测量范围宽（最高能达到2000℃）、样品制备简单。

（1）热线法：
热线法是应用比较多的方法，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。

测量热线的温升有多种方法。其中交叉线法是用焊接在热线上的热电偶直接测量热线的温升。平行线法是测量与热线隔着一定距离的一定位置上的温升。热阻法是利用热线（多为铂丝）电阻与温度之间的关系测量热线本身的温升。一般来说，交叉线法适用于导热系数低于2W/m·K的样品，热阻法与平行线法适用于导热系数更高的材料，其测量上线分别为15 W/m·K与20W/m·K。

这种方法测量时间比较短，所测量材料的导热系数范围一般是 0.1W/mK 到几十。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％。

（2）激光闪射法导热仪
激光闪射法的测量范围很宽（0.1~2000W/m·K），但测得的是材料的热扩散系数，还需要知道试样的比热和密度，才能通过计算得到导热系数λ，而测定热态下的导热系数还需要膨胀系数的数值，只适用于各向同性、均质、不透光的材料；瞬变平面热源法是在试件上贴上探头，通过多元函数对试样表面温度的响应进行拟合后便可计算出材料的导热系数，适用广泛，快捷，但精确度不一定高。

注意事项
导热仪校正：稳态法测量导热系数的困难主要在于相关参量的准确获得。由于导热系数是标志一个过程（传热）的性质的热物性参数．因此不可能通过直接静态对比而得出。所以，可以将同样尺寸规格的标准样品（导热系数已知）放在导热系数仪中，在某一外部条件下，经历一个传热过程，另外再通过测量冷热板的表面温度，就可根据测量结果的比较而得到被测导热系数仪的测量准确度。

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