导热系数测量 (二)

稳态方法测量 热流法导热仪： 将厚度一定的方形样品（通常长宽各 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，传感器在平板与样品之间和样品接触。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1 示出了一种新型的热流法导热仪。样品的厚度可达到 10cm，长与宽为 30 到 60cm 之间。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。选用不同类型的仪器，能够在 -20℃ 到 100℃ 之间测量。该方法的优点是易于操作，测量结果精确，测量速度快，但是温度与测量范围有限。 图1. NETZSCH HFM436（Lambda）热流法导热仪，能在中等温度下对中低等导热系数材料进行测量分析。 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。 图2 是保护热流法导热仪对多孔混凝土和大理石样品在 45℃ 与 65℃ 下导热系数的测量结果。很明显这两种材料的导热系数都随温度升高而降低。多孔混凝土的导热系数比致密的大理石材料小得多。由于该大理石样品的导热性能比较好，该大理石适合于作为房间里的地板加热系统。 图2. 使用 NETZSCH TCA 保护热流法导热仪 测得的大理石与泡沫混凝土在 45℃ 和 65℃ 条件下的导热系数。 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3 所示。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。 图3. （保护）热板法导热仪结构原理图 相比热流法，保护热板法的优点是温度范围宽（-180 到 650℃）与量程广（最高可达 2W/m·K）。此外，保护热板法使用得是绝对法——无需对测量单元进行标定。 图4 是玻璃纤维材料的导热系数与其组装密度之间的关系。我们可以清楚地看到随着密度的降低，导热系数上升。这是因为辐射与／或对流传热的增强。在密度 18kg/m3 这一点，导热系数达到最低点，是这一材料的最佳装填密度。当密度超过 18kg/m3 时，导热系数重新上升。此时，纤维本身的导热性能更加占主导地位。 图4. 使用 NETZSCH GHP 保护热板法导热仪 测试的矿物纤维绝热材料的导热系数与组装密度的关系。