PDF《导热系数测量方法及仪器》

导热系数测量方法及仪器 Jurgen Blumm NETZSCH-Geratebau GmbH, Selb/Bavaria, Germany 编译:曾智强 耐驰仪器(上海)有限公司 前言本文介绍了导热系数测量的基本理论与定义,激光法、热线法、热流法、保护热流法、保护热板法等几类测量方法的原理与 应用,以及德国耐驰公司(NETZSCH)的相关仪器.

在某些应用场合,了解材料的导热系数,是测量其热物理性质的关键.例如,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.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,散热材料已经成为微电子工业领域关键材料. 在过去的几十年里,已经发展了大量的导热测试方法与系统.然而,没有任何一种方法能够适合于所有的应用领域,反 之对于特定的应用场合,并非所有方法都能适用.要得到准确的测量值,必须基于材料的导热系数范围与样品特征,选择正 确的测试方法. 基本理论与定义 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.关 于辐射传热方式的详细介绍见文献一1 . 本文主要讨论的是热传导.热量的传导基于材料的导热性能――其传导热量的能力2 .厚度为x的无限延伸平板热传导可 用Fourier方程进行描述(一维热传递) : x T ・ λ ? = Q Q 代表单位表面积在厚度(x)上由温度梯度(T)产生的热流量.两个因子都与导热系数(λ)相关联.在温度梯度与 几何形状固定的情况下,导热系数代表了稳态下需要多少能量才能维持该温度梯度. 在对建筑材料(如砖)与绝热材料进行表征时,经常用到 k 因子.k 因子与材料的导热系数和厚度有关. k = λ/ d 这一因子并不能用来鉴别材料,而是决定最终产品厚度的因素. 测量装置 德国耐驰仪器制造有限公司 www.netzsch.cn NETZSCH Ger?tebau GmbH 如今测量导热系数方法与仪器有许多种.使用 Fourier 方程所描述的稳态条件的仪器主要适用于测量中低导热系数材料. 使用动态(瞬时)方法的仪器,如热线法或激光散射法,用于测量中高导热系数材料. 稳态方法 1. 热流法导热仪: 如图

1 所示,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. 图2示出了一种新型的热流法导热仪(HFM

436 系列) .样品的厚度可达到 10cm,长与宽可达

30 或60cm.测量温度为 -20℃到100℃之间(取决于不同的型号) .这种仪器能测量导热系数在 0.005 到0.5W/m・K 之间的材料,通常用于确定玻璃 纤维绝热体或绝热板的导热系数与 k 因子.该仪器的优点是易于操作,测量结果精确,测量速度快(仅为同类产品的四分之 一) ,但是温度与测量范围有限. 图1热流法测量原理 图2NETZSCH HFM436 Lambda 热流法导热仪,适用于绝热材料. 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. 德国耐驰仪器制造有限公司 www.netzsch.cn NETZSCH Ger?tebau GmbH 图3. 保护热流法测量原理 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.保护热板法的测量原理如图