玻璃导热系数检测

[b][color=#cc0000]摘要[/color][/b]：常用的真空隔热材料主要包括真空玻璃和真空绝热板（VIP），针对真空隔热材料热性能的在线检测技术，本文综述了国内外的研究现状，讨论了各种在线检测技术的特点和存在问题，并在国内外现有技术基础上提出了一种新型的动态热流法测试技术，介绍了一种便携式探头结构的快速在线检测技术方案。[color=#cc0000][b]关键词[/b][/color]：真空玻璃、真空绝热板、传热系数、导热系数、U值、在线检测[hr/][b][color=#cc0000]1. 引言[/color][/b] 隔热材料（或保温材料）的热传递主要有对流换热、接触导热和辐射传热三种途径，前两种途径都需要传热介质。在真空环境下，由于气压的降低，气体密度随之降低，气体分子平均自由程将增大，气体分子间和气体分子与真空容器壁的碰撞频率和强度相对减弱，从而使得真空环境阻止了对流和接触这两种传热形式的发生，由此达到隔热效果。如果在真空环境的内壁上涂覆低辐射系数涂层，还可以阻止辐射传热实现绝热效果。 在传统隔热材料中，热辐射占热传递中的20～30%，接触材料占热传递中的5～10%，而隔热材料中气体的对流换热则占剩余的约65～75%。因而，隔热材料中减少这些热传递途径中最重要的一环就是空气传递热量，即通过将隔热系统抽成真空来减少热量传递，目前这种真空型隔热材料比较成熟的产品主要有真空玻璃和真空绝热板两类： （1）真空玻璃（Vacuum Glazing）是一种玻璃深加工产品，是基于保温瓶原理制作而成。真空玻璃的结构与中空玻璃相似，其不同之处在于真空玻璃空腔内的气体非常稀薄，几乎接近0.1 Pa的真空。真空玻璃是将两片平板玻璃四周密闭起来，将其间隙抽成真空并密封排气孔，两片玻璃之间的间隙为0.1～0.2 mm，真空玻璃的两片一般至少有一片是涂覆低辐射系数涂层的低辐射玻璃（Low-E玻璃），由此可将通过真空玻璃的导热、对流和辐射方式散失的热量降到最低。 （2）真空绝热板（Vacuum Insulation Panel——VIP）是由轻质芯材与专用复合阻气膜通过抽真空封装技术复合制成，其内部真空度约为10 Pa能有效地避免气体对流引起的热传递，可大幅度提高绝热效果。 真空隔热材料可广泛应用于建筑节能墙体和门窗、冷链冷藏设备、温室、太阳能和空调型运输工具等领域。在业内评价真空隔热材料一般采用两个技术参数，一个是传热系数（Wm-2K-1），另一个是导热系数（Wm-1K-1），业内也会将传热系数用K值或U值来定义。通常对于真空玻璃采用传热系数K值来评估，对于真空绝热板采用导热系数进行评估。 传热系数和导热系数测试技术是真空隔热材料的关键技术之一，相应的测试技术至少要实现两个功能，第一是需要检测证明真空隔热材料确实含有隔热功能的真空，第二是因为真空空间内存在支撑物和残留气体的导热传热以及辐射传热，有必要检测验证真空隔热材料的传热理论模型，并了解这些不同传热形式之间的相互作用方式。目前常规测试技术一般为成熟的稳态技术，主要包括保护热板法、保护热流计法和保护热箱法。尽管这三种常规方法可以从计量和质量层面可以对真空隔热材料进行准确的测试评价，但它们存在的明显劣势则是要求制作标准尺寸样品和测试周期漫长，无法用于大批量制造生产过程中逐件产品质量的在线检测，因此需要解决真空隔热材料的在线检测技术。 在线检测技术的目的是在真空隔热材料的生产制造过程中，实时验证每个真空隔热材料产品的质量都在规定范围内。在在线检测过程中，因为可以与标准合格产品或样品进行比较，在线检测并不一定需要绝对准确，重要的是生产过程中能保证检测工序可以快速进行，并且检测仪器具有很好的测量重复性。在线检测技术的另外一个目的是可以证明真空绝热材料产品在实际安装过程和使用条件下还能长期保持相应的真空度，即对处于生命周期内的真空隔热材料产品进行实时检测或监测。 针对真空隔热材料热性能的在线检测技术，本文综述了国内外的研究现状，讨论了各种在线检测技术的特点和存在问题，并在国内外现有技术基础上介绍了一种便携式快速的新型在线检测技术方案。[b][color=#cc0000]2. 在线检测真空隔热材料热性能的技术挑战[/color][/b] 真空隔热材料的最大特点就是具有超低的传热系数和导热系数，如果再考虑实现在线检测，这就给测量真空隔热材料热性能带来了以下几方面的严峻挑战： （1）所谓在线检测，就是要求采用很小面积尺寸的探头对板状真空隔热材料进行实时检测，同时又因为真空隔热材料的传热系数和导热系数极低，致使只有很少热流能够流经隔热材料。这就意味着在线检测只能检测很小面积的真空隔热材料，而且检测探头还需具有非常高的探测分辨率才能检测到此小面积上的热流变化（毫瓦量级）。 （2）真空隔热材料并非是均质材料，真空隔热部分一般被外部高导热材料（如玻璃或复合铝膜等）夹持在中间，真空隔热部分和外部高导热材料的导热系数相差五个数量级以上，因此在检测过程中非常容易产生沿隔热材料板材表面流动的寄生热损，在检测表面上形成面内温度梯度，这就对小面积在线监测提出了非常高的技术要求。 （3）既然是在线检测，就要求在线检测作为一道流水作业工序，能在真空隔热材料生产线上对每件产品进行实时快速检测，单件产品检测时间小于1分钟，最好能实现10～30秒这样的快速检测能力。 由此可见，真空隔热材料热性能测试对在线检测提出了两个层面的要求，一个层面是具备快速在线检测和判断产品质量是否合格的能力，这就要求在线检测仪器既要具有高分辨率和快速检测能力，还需具备很好的测量重复性。另一个层面是要实现高准确度的测量，准确测量出产品的传热系数和导热系数，与防护热箱法等标准方法测试结果相比要在允许偏差范围内。[b][color=#cc0000]3. 国内外测试方法研究[/color][/b] 面对上述真空隔热材料热性能在线检测的技术挑战，国内外开展了大量研究和探索。下面将对国内外的研究报道进行汇总，并对各种检测方法的优缺点进行讨论。[color=#cc0000]3.1. 稳态法：小面积保护热板法3.1.1. 澳大利亚Collins团队的研究工作[/color] 保护热板法是一种经典的板式样品材料热阻和导热系数稳态测试方法，对被测样品有严格的尺寸要求，样品尺寸一般都大于300×300 mm2的测试面积，而且测试周期至少4个小时以上，同时隔热性能越好则测试时间越长。但由于保护热板法是一种绝对测量方法，测试准确度高，因此常被用来作为标准测试仪器和计量溯源测试仪器，计量机构和检测认证机构通常都会配备这种保护热板法仪器以及相同原理的更大样品尺寸的保护热箱法设备来对真空玻璃和真空绝热板进行质量评估。 澳大利亚Collins团队基于经典的保护热板法开发了一种小面积尺寸的保护热板法用于真空玻璃热性能的测试和研究，其测量原理如图3-1所示。一个小的热导体，这里称为测量块，被放置在被测样品一侧并具有良好的热接触，测量块的所有其它侧面被一个保持恒定温度的等温防护装置包围，该热防护装置也与被测样品保持良好的热接触，由此使测量块上的热量只能在样品方向上传递而周围的热损近乎为零。被测样品的另一侧保持在恒定的低温下，热流从热防护装置流经样品到对面的冷板，热量也从热防护装置流到测量块，测量块热流通过样品流到冷板。 [align=center][img=,600,369]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/05/201805191121404416_7563_3384_3.png!w600x369.jpg[/img] [/align][align=center][color=#cc0000]图3-1 小面积防护热板法测量装置结构示意图[/color][/align] 测量块与热保护装置之间的温差由嵌在这些元件中的温度传感器进行检测。测量块中的热量由内部电加热器产生并同时升高测量块温度，当测量块温度正好等于热保护装置温度时，这两个部件之间不会发生热流，在这个零温差条件下测量块中所产生的所有能量都流经样品形成所谓的一维热流。按照稳态一维热流傅立叶传热定律，利用测量块的已知面积，最终可以得到样品传热系数的绝对测量值。 澳大利亚Collins团队专门开发了小面积形式的保护热板法测试仪器用于测量真空玻璃中不同的热流传递过程，这些仪器可用来识别真空空间中由于辐射和气体传导而对热传递的单独贡献，其中就包括通过支撑柱进行的热传导。为了做到这一点，测量块所选择的尺寸很小，测量块截面积约为1 cm2，周围保护装置的面积约为100 cm2。由于测量是小面积和真空绝热样品，此仪器必须能够检测非常小的热量变化。 与保护热板法测量装置一样，小面积保护热板法测试仪器研制过程中的关键技术是最大限度减少测量块热损到可忽略的水平，并证明这种热损确实被有效消除。为了验证此测试仪器的热损确实被有效消除，需要测量的微小热量需要检测测量块和热保护装置之间极小温差。分别采用了两种真空玻璃进行了测量，一种是由两片没有内部涂层的浮法玻璃板（float glass）制成（FL-FL），另一种是由一片内表面热分解沉积低发射率涂层玻璃片和一个未涂覆的浮法玻璃片制成（FL-LE），图3-2显示了小面积保护热板法测试仪器所获得的典型实验数据。[align=center][img=,600,514]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/05/201805191124054860_7131_3384_3.png!w600x514.jpg[/img][/align][color=#cc0000][/color][align=center][color=#cc0000]图3-2 小型保护热板法测试仪器获得的典型数据[/color][/align] 为了进行精确的绝对测量，必须使用已知传热系数的样品来校准测量块的有效面积。两片未涂覆玻璃片之间的真空空间为这种校准测量提供了非常方便的样品，因为这种玻璃表面之间的辐射传热速率可以从这种玻璃已知的红外光学中计算得到非常高的准确度。 有限元模型分析可以用于确定玻璃薄板等温外表面上每个支撑柱所引起的热流横向扩散程度，这些数据可用于确定与单个支撑柱相关联的热流比例，这时的测量块的中心线与支撑柱轴线距离不远，而且支撑柱与测量块的圆形区域相交。如果要忽略掉流经支撑柱热流的影响，从这些结果可以计算出与测量块相交的支撑柱需要远离测量块的距离。对于正常尺寸的支撑柱阵列（支撑柱间距约20~30 mm），如果测量块位于支撑柱阵列单元的中心位置，那么支撑柱对热流的测量仍然有一个很小但明显的贡献。为了使得测量忽略掉支撑柱热流的影响，悉尼大学在真空玻璃研究项目中采用了一些缺少一个支撑柱或无支撑柱区域直径约50 mm的真空玻璃样品，用这些样品做的测量为通过真空玻璃的辐射和气体热传递提供了非常准确的信息。 流经单个支撑柱的热流扩散建模分析结果也可以用来计算当测量块直接位于支撑柱上方时此热流在测量值中所占比例，通过减少辐射和气体传导引起的已知热流，可以确定流经支撑柱本身的热流速率，这些测量都已经被用来验证流经单个支撑柱的热流理论模型。在某些情况下在真空玻璃中使用了粗糙表面的支撑柱，这时的测量也可以用来提供关于这些支撑柱热流减少的定量信息，因为支撑柱表面和玻璃板之间的热接触不完整。 综上所述，澳大利亚Collins团队详细研究了在采用保护热板法仪器测量流经真空玻璃热流量，并对小面积保护热板法仪器操作和标定有影响的几个小效应进行了深入研究，由此证明小面积保护热板法装置是一个非常强大的工具来验证通过真空玻璃的热辐射和通过支撑柱热传导的理论模型，该仪器也被用来证明这两个热流过程之间的相互作用足够小而可以被忽略。同时，这种小面积尺寸的保护热板法也可以用于研究真空玻璃内部真空的稳定性及对真空玻璃寿命周期内的性能进行评价。 然而，因为这种小面积保护热板法通常需要大约1小时来进行一次完整测量，此外由于有必要保持热保护装置的温度在一个非常精确的恒定值，并且在室温或室温附近只能使用这个装置来测量样品，这种保护热板法测试仪器的使用实际上仅限于实验室研究用，无法应用于真空玻璃的在线监测。[color=#cc0000]3.1.2. 北京新立基公司研究工作[/color] 北京新立基公司的唐健正老师曾是澳大利亚Collins团队的成员之一，回国后针对真空玻璃的传热系数测试开展了大量研究，基于上述小面积尺寸保护热板法原理研制了精密热导仪和快速热导仪两种热导仪，建立了建材行业“真空玻璃”的传热系数测试标准方法。其中精密热导仪的量程为0~10 Wm-2K-1，标称精度高达0.1 Wm-2K-1，测量时间为30 min，体积小，重量小于15 Kg。快速热导仪量程为0~25 Wm-2K-1，标称精度为0.2 Wm-2K-1，测量时间小于5 min，同样具有体积小、重量轻的特点。与精密热导仪不同的是，其测量精度略低，但测量时间短。 精密热导仪的特点是精度高，能够鉴别出真空度是否达标，但必须有足够的热测量时间。而快速热导测量仪则放宽了精度要求，把测量时间缩短6 倍。这样，在线监测时，后者先把关，把真空度肯定达标的和肯定不达标的筛选出来，把剩下少量的难以判断的由前者作精密判断，这样构成在线热导检测线。 通过对北京新立基公司相关报道的研究，北京新立基公司所研制的热导仪还存在以下不足： （1）随着科学的发展，真空玻璃的传热系数已经小到0.3 Wm-2K-1，如此小的数值就需要精度更高的热导仪才能够测量，这就需要进一步提高热导仪的精度。 （2）热导仪能够测量真空玻璃整体的热导，是支撑物热导、辐射热导和内部真空度共同作用的结果，目前新立基公司研制的热导仪还不能够将这三种热导分别测量。如果能够分别测量出支撑物热导、辐射热导和内部真空度，就可以有目的的改善支撑物材质、改善玻璃表面辐射率或者提高内部真空度。 [color=#cc0000]3.2. 非稳态法3.2.1. 瞬态法[/color] 为了提高真空玻璃在线测试能力，澳大利亚Collins团队提出了一种瞬态测试方法，其测量原理如图3-3所示。温度传感器附着在真空玻璃样品的一侧，通常位于支撑柱阵列单元的中心位置，在真空玻璃板的另一侧放置一个与玻璃板热接触良好内部镶有电加热器和温度传感器的小面积（约10 cm2）导热板。[align=center] [img=,600,287]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/05/201805191124330000_7261_3384_3.png!w600x287.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图3-3[/color][color=#cc0000] 真空玻璃瞬态法测试原理图[/color][/align] 整个样品的初始温度恒定和均匀，并且记录几分钟温度传感器的输出以证实温度确实恒定。然后将已知数量的电功率加载到电加热器上，使电加热器快速升温，升温幅度通常为20~30℃。玻璃板的内表面产生的温差导致热量流经真空夹层，与电加热器相对的样品一侧温度会缓慢增加，该温度的初始速率测量结合真空玻璃热容（由玻璃厚度、比热和密度的乘积给出）和台阶温度升高的幅度，可以得出温度传感器周围区域样品的传热系数。 同样采用了两种真空玻璃进行了瞬态法测量，一种是由两片没有内部涂层的浮法玻璃板（float glass）制成（FL-FL），另一种是由一片内表面热分解沉积低发射率涂层玻璃片和一个未涂覆的浮法玻璃片制成（FL-LE），所有玻璃片厚度都为3 mm，图3-4显示了用瞬态技术获得的典型实验数据。[align=center][img=,600,499]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/05/201805191124513950_3062_3384_3.png!w600x499.jpg[/img] [/align][align=center][color=#cc0000]图3-4[/color][color=#cc0000] 用瞬态技术获得的典型数据[/color][/align] 如果真空玻璃样品冷面上的温度传感器位于支撑柱阵列单元的中心点，则在台阶式升温后的最初几分钟内，几乎所测的温度缓慢变化都是由于真空夹层内的热辐射和气体传导所造成，流经附近支撑柱上的热量需要很长时间才能到达温度传感器，因为它必须沿试样的冷面横向扩散到玻璃片上。这就使得这项技术可以用来测量玻璃的辐射和气体传热系数，并认为热流通过支撑柱的贡献微不足道，即使是标准支撑柱阵列（支撑柱间距约20~30 mm）的真空玻璃也是如此。 瞬态技术也可用于测量高温下真空玻璃样品的传热系数，因此这种技术在真空玻璃长期存储在室温以上时可能导致真空降解的机制研究方面被证明非常有用，该技术已被用来检测真空玻璃在高温老化过程中会释放出大量气体，而当冷却到室温后玻璃表面会发生气体再吸收现象。质谱仪实验表明，在这样的条件下释放出来的气体几乎完全是水蒸气。已证明在制造过程的抽真空阶段充分烘烤真空玻璃可以消除这些真空玻璃数十年使用寿命中的任何显著热释气现象。 瞬态技术不是真空玻璃传热系数的绝对测量方法，所获得的数据必须与样品冷面上的玻璃片热容以及步进温度的增加幅度相结合才能给出热流流经真空玻璃的传热系数。理想情况下，在这个计算中应使用随时间变化的有限元模型分析过程，因为导热板热量需要大量时间通过玻璃板热面来扩散，这就会使得冷面温度的上升初期具有相应的延迟。当采用有限元分析瞬态法时，测量玻璃板冷面温度随时间变化给出了与其他方法吻合很好的传热系数数据。这样，通过测量已知传热系数的相同几何尺寸样品来对瞬态法进行校准就非常简单，即在瞬态法测试过程中，在经历指定时间后（如2分钟）可将被测玻璃冷面温度的总变化与已知样品中获得的相似数据进行比较。 用瞬态法所检测得到的数据具有很好的重复性，此外该技术易于使用、可自动化和可校准，实际测量时间相当短——一般为几分钟。因此，该方法非常适合于真空玻璃批生产中的质量保证测试。瞬态法的缺点是样品温度在测量开始之前必须非常稳定，因此有必要在测量前将样品储存在稳定环境条件下一段时间。[color=#cc0000]3.2.2. 动态冷却法[/color] 为了进一步提高真空玻璃在线测试能力，澳大利亚Collins团队还提出了一种高温动态冷却测试方法，其测量原理如图3-5所示。在冷却法中被测真空玻璃整个样品最初处于高温，然后在被测样品的一侧放置并接触第二块已知传热系数的真空玻璃标准样品形成绝热边界条件，这个标准样品的起始温度可能是高温或是室温，将直径约0.1 mm的细丝热电偶放置在这两个真空玻璃样品的接触面之间。该组件中两块真空玻璃接触面之间的小间隙确保它们有良好的热接触，从而使她们的温度相当迅速的趋于均衡，室温空气在此组件中的两块真空玻璃外表面吹过。与这种强制对流所对应的传热系数相当高，因此两个样品的外玻璃片温度很快就会相对接近室温。从真空玻璃内部玻璃板流出的热量会以两个独立的流动方向分别流经两个样品的绝热真空空间到外部玻璃片，然后再经外部玻璃片流到空气中，因此内玻璃片温度会随着被试样品和标准样品的传热系数以相应速度而缓慢降低。[align=center][img=,600,322]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/05/201805191125181660_9521_3384_3.png!w600x322.jpg[/img] [/align][align=center][color=#cc0000]图3-5[/color][color=#cc0000] 瞬态法测试中所采用的仪器示意图[/color][/align] 由于标准样品的传热系数已知，因此可以计算被测样品的传热系数。对于由3 mm厚玻璃片制成真空玻璃被测样品和标准样品，图3-6显示了用冷却法获得的真空玻璃中心处的测试结果。对于这些数据，两个样品在测量开始之前都处于高温。外玻璃片温度的初始降低速率可用于确定与这些玻璃板材外表面传热有关的传热系数与流动空气的关系，接触内玻璃板的热量损失率受此外部传热系数的影响，但相对于样品本身的玻璃-玻璃传热系数这个影响程度较小，在较长时间内两个外玻璃板之间的温差与流经各样品的不同热流速率有关。[align=center][img=,600,526]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/05/201805191126140880_4604_3384_3.png!w600x526.jpg[/img] [/align][align=center][color=#cc0000]图3-6[/color][color=#cc0000] 动态冷却法测试得到的典型数据[/color][/align] 与瞬态法一样，冷却法不是测量通过真空玻璃热流值的绝对方法，然而该方法的校准可以使用瞬态法中所用到的任何一种技术——通过依赖时间的有限元模型分析，或者更简单地通过对具有已知传热系数的相同几何尺寸标准样品进行测量。由于两块真空玻璃组件中与内部玻璃板指数冷却形式相关的时间常数可能相当大，通常约为60分钟，这种相对缓慢的冷却速率可确保通过支撑柱的热流足够来沿着玻璃板进行扩散，而内部玻璃板的温度横向变化则是相当小。因此，冷却法能形成真空玻璃总传热系数（辐射+气体+支撑柱）的测量。 由此可见，冷却法可能会用于真空玻璃生产线上，特别是刚刚完成了抽真空过程，在那里它们经受高温下的脱气处理，此时的真空玻璃制品通常处于高温状态。与采用其他在线测试技术相比，将冷却法监测集成到真空玻璃生产线的末端可节省大量的时间和劳动力。[color=#cc0000]3.3. 国内外相关在线测试仪器3.3.1. 德国耐驰公司便携式复合玻璃 Ug 值测量仪[/color] 德国耐驰公司基于改进的动态热源法开发了一种瞬态在线测试技术和相应的便携式复合玻璃传热系数测试仪Uglass，如图3-7所示。此测试仪器通过两个带加热功能的温度传感器，根据一维传热差分模型和软件来测量真空玻璃的传热系数。这种测试技术是一种相对比较法，配备了中空玻璃标准样品。由于测试技术的探测器相对较小，可用于实验室检测，也可用于现场评估，对于普通真空玻璃整个测试过程约为10～15分钟，每次测量之间的时间间隔约 10 分钟。 [align=center][img=,600,643]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/05/201805191126433070_5719_3384_3.jpg!w600x643.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图3-7 耐驰公司便携式复合玻璃传热系数测量仪[/color][/align] 如图3-8所示，测试过程中通过抽气泵将探测器真空吸附在被测玻璃两侧。安装完成后，将其中的一侧探测器加热到高于另一侧探测器温度7～8℃范围，并同时检测另一侧探测器温度的变化ΔT。[align=center][img=,600,263]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/05/201805191127021708_286_3384_3.jpg!w600x263.jpg[/img] [/align][align=center][color=#cc0000]图3-8[/color][color=#cc0000] 传热系测量仪安装布置和测量示意图[/color][/align] 通过分析短暂的不同温度变化过程，可测定真空玻璃的传热系数，其中传热系数测量范围为0.5～40 Wm-2K-1，操作温度范围为-10～60℃，探测器加热温度范围为室温～150℃。 采用Uglass测量仪Kim等人在常温常压下对内部不同间隔的中空玻璃进行了测量，如图3-9所示，分别得到了中空玻璃内部和外部的传热系数随间距的变化结果。[align=center][img=,600,357]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/05/201805191127235359_4034_3384_3.jpg!w600x357.jpg[/img] [/align][align=center][color=#cc0000]图3-9 中空玻璃内部和外部传热系数随中空间距的变化测量结果[/color][/align] 从图3-9所示的测试结果可以看出，随着间隔宽度的增加，内部和外部的双层中空玻璃板的传热系数呈线性减小而无视真空玻璃的内部还是外部。由此可见，双层中空玻璃的传热系数不受周围环境的影响，也就是说，没有边框的双层中空玻璃绝热性能，即使在不同环境下也可以解释为具有相同的绝热性能。 除了普通中空玻璃之外，Kim等人还对中空玻璃内部表面涂覆Low-E涂层对绝热性能的影响进行了对比测量，测量结果如图3-10所示。[align=center] [img=,600,386]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/05/201805191127453461_8401_3384_3.jpg!w600x386.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图3-10 带Low-E涂层和无Low-E涂层中空玻璃传热系数随中空间距的变化对比[/color][/align] 从图3-10所示的测试结果可以看出，随着间隔宽度的增加，涂覆了Low-E涂层的中空玻璃传热系数随间距增大而更加快速的减小，随间距减小的斜率为-150.4 ×103 Wm-3K-1，要比无Low-E涂层时随间距减小的斜率-68.8 ×103 Wm-3K-1快了将近2倍多，当中空玻璃内部间距为15 mm左右时，增加Low-E涂层后的传热系数减小了将近一半，由此证明Low-E涂层在中空玻璃和真空玻璃中所起的重要作用。 从耐驰公司的相关报道可以看出，耐驰公式这款传热系数测试仪器整体尺寸偏大，测量覆盖面积将近400×400 mm2，可以满足中空玻璃的传热系数测试。尽管仪器测量精度标称可以达到±0.1 Wm-2K-1，但并没有看到对小于1 Wm-2K-1的真空玻璃传热系数的测试报道，也没有看到对真空绝热材料（VIP）的导热系数测量结果报道。同时十几分钟的测试时间，以及被测样品两侧夹持测试方法根本无法满足真空绝热材料生产过程中的在线质量监测要求。[color=#cc0000]3.3.2. 日本EKO公司导热仪[/color] 为了真正实现真空隔热材料的在线监测，日本EKO公司开发了HC-10快速导热系数测试仪，如图3-11所示。考虑到在线测试，测试仪采用了单端探头这种最佳的探测模式，只需将探测头放在各种被测材料上，可在1分钟内得到导热系数测量结果。[align=center][img=,600,450]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/05/201805191128042740_1715_3384_3.jpg!w600x450.jpg[/img] [/align][align=center][color=#cc0000]图3-11 日本EKO公司HC-10型快速导热系数测试仪[/color][/align] 这种快速导热系数测试仪的测量原理如图3-12所示，首先将探头加热到高于室温的一恒定温度，同时使被测样品处于室温条件下并达到热平衡。然后将探头放置在被测样品表面，如果样品导热系数低，探头上的热量Q将会缓慢的流经样品而散失，相应的探头表面温度快速上升；如果样品导热系数较高，探头上的热量Q将会快速流经样品而散失，相应的探头表面温度缓慢上升。[align=center][color=#cc0000] [img=,600,484]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/05/201805191128201186_3226_3384_3.png!w600x484.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#cc0000]图3-12 HC-10型快速导热系数测试仪基本原理[/color][/align] 由此可见，这种快速导热系数测试仪中探头加热器的热损失大小与样品的导热系数有关，如果使用已知导热系数的标准样品进行校准，则可以实现样品导热系数的自动测量。日本EKO公司开发的HC-10快速导热系数测试仪已用于各种材料的导热系数测量，其中包括真空绝热板（VIP）的导热系数测量，测试仪的主要技术指标为： （1）导热系数测量范围：1～5000 mW/mK （2）测量精度：+/- 5 % （3）样品尺寸：边长150 ～760 mm，厚度5～50 mm （4）测试时间：60秒 专门针对真空绝热板（VIP），基于HC-10快速导热系数测试仪日本EKO公司还开发了多探头形式的在线HC-121 VIP监测仪，如图3-13所示。 HC-121 VIP监测仪主要用于在线监测真空绝热板质量是否合格，即在1分钟内实时检测真空绝热板（VIP）导热系数是否小于规定数值，通过一个主机可以同时连接最多5个探头进行在线监测。[align=center][color=#cc0000] [img=,600,199]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/05/201805191128367430_3462_3384_3.jpg!w600x199.jpg[/img][/color][/align][color=#cc0000][/color][align=center][color=#cc0000]图3-13 日本EKO公司HC-121 VIP监测仪[/color][/align] 与HC-10快速导热系数测试仪不同，HC-121 VIP监测仪只能进行相对测量，探测头需要用户自己进行单独校准，用户需要根据VIP材料生产的实际特征来进行使用。HC-121 VIP监测仪的技术指标与HC-10快速导热系数测试仪基本相同，只是导热系数测试范围基本只针对真空绝热板材料，为1～15 mW/mK。 有关日本EKO公司开发的这两种在线监测仪器，我们并没有看到实际应用方面的报道和测试数据，更没有看到在真空玻璃上的测试应用。从测试原理上来看，这两种仪器完全适合均质材料的超低导热系数测试，但对于真空隔热材料这类非均质复合结构材料而言，可能存在以下问题： （1）真空绝热板（VIP）表面一般都包裹一层高导热金属保护热，测试过程的初期探头上的热量会通过表面金属膜快速散失，所得到的温度变化曲线并不一定能完全代表真实的低导热材料测试过程中的温度变化。类似的情况也会发生在使用了真空绝热板的冰箱生产线上的在线质量监测，因为冰箱的隔热结构也是金属材料包裹真空绝热板。 （2）同样，对于真空玻璃而言，也是高导热系数玻璃板与真空绝热层的复合结构，玻璃的导热系数接近1 W/mK，也是远大于真空隔热层的导热系数，测试过程中也会发生类似的问题。[color=#cc0000]3.3.3. 内部真空度测试仪器[/color] 真空隔热材料的一种重要特点就是材料内部是真空，因此在线测试技术中实时监测真空度的变化也是一种在线监测技术手段。 从目前的各种真空隔热材料内部真空度检测技术的发展来看，大多数是谐振式真空传感器，即将事先标定好的MEMS结构的LC微型传感器植入真空隔热材料中，通过外部探测仪器对谐振传感器进行外部激励得到谐振频率与内部真空度的关系数据。 内部真空度测试技术的最大优势是可以在几秒钟内实现对真空隔热材料内部真空度的检测，但最大的问题是要将标定好的传感器植入产品中。[b][color=#cc0000]4. 现有技术总结[/color][/b] 目前国内外常用于表征真空型隔热材料的标准方法，如保护热箱法和大面积保护热板法，主要是用来测量通过真空型隔热材料的热流速率，这两种测试技术都提供了有关真空型隔热材料的整体热流过程的信息。然而它们在测试过程中相对较慢，同时无法对真空隔热材料中不同传热机理而引起的热流分量进行单独评估。 为了对真空型隔热材料局部热流进行测量，以及适应工业生产和工程应用的需要，目前国内外提出了几种特别设计的测试方法： （1）小面积保护热板法测试装置提供了非常精确的流经真空玻璃的局部热流测量，该装置可用于验证由于辐射、气体热传导和通过支撑柱热传导而引起的不同热流过程的理论模型，也证明了该小面积保护热板法测试装置在考核真空玻璃内部长时间真空稳定性方面非常有用，同样这种方法也可以应用于真空绝热板的热性能测试和评估。小面积保护热板法是目前测试精度最高的方法，但这种方法是一种被测样品双面探测结构，测试时间最快也要好几分钟，比较适合实验室研究使用，但还是不能很好的满足在线测试需求。 （2）瞬态法提供了一种测量真空绝热材料传热系数和导热系数的快速方法，该方法可通过测量已知传热系数和导热系数的标准样品对测试装置进行标定。该方法快捷、易于使用并具有很高的测量重复性，并可在较高温度条件下对真空玻璃的气释过程研究中的作用非常明显。目前国外相关测试仪器基本都是基于这种方法，可见这种方法得到了基本认可。尽管采用这种方法有德国耐驰公司的中空玻璃双面测试结构的便携式测试仪器，也有日本EKO公司的真空绝热板单面探头结构的便携式测试仪器，但目的都是为了满足真空绝热材料传热系数和导热系数的在线测试需求，而我们认为单面探头结构更适用于在线测试，这将是今后这方面测试仪器的一个发展方向。 （3）冷却法提供了真空玻璃整体传热系数的测量。虽然这种方法在实践中不一定实用，但在将来可能将其集成到真空玻璃生产过程中，与其他方法相比，冷却法的成本和时间可能会有很大节省。[color=#cc0000][b]5. 上海依阳公司在线快速检测技术[/b][/color] 上海依阳实业有限公司基于瞬态法，提出了一种新型快速测试方法——动态热流法。动态热流法与日本EKO公司导热仪的测量原理类似，也是采用单面探头结构形式，但不同于日本EKO公司导热仪是测量加热器表面的温度变化，新型测试方法测量的是比温度变化更灵敏的热流密度变化，如图5-1所示为分别测量正常和非正常真空绝热板时的热流密度随时间变化曲线对比。 在动态热流法测量的初期，单面测量探头处于以恒定温度，探头未接触被测样品（真空玻璃或真空绝热板）之前，热流密度测量值较低。但将探头与被测样品表面接触后，探头上的热量经真空绝热材料表面（玻璃或金属保护膜）而迅速散失，材料表面的高导热材料表面的作用而产生较大的热流密度，即使得测量的初期热流密度测量值迅速升高。[align=center][color=#cc0000] [img=,600,433]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/05/201805191128571173_5310_3384_3.png!w600x433.jpg[/img][/color][/align][color=#cc0000][/color][align=center][color=#cc0000]图5-1 正常和非正常真空绝热材料热流密度随时间变化测量曲线[/color][/align] 随着探头与样品表面接触时间的增大，流经表面材料的热流受到内部绝热层的阻隔，测量的热流密度会逐渐降低，从而反映出绝热层的低导热特性。由此可知，热流密度曲线降低的速率可以作为衡量样品绝热性能的测量指标，即如果被测样品处于正常真空绝热状态，热流密度下降变化曲线就如图5-1中的“正常绝热状态”那样，向较低的热流密度值进行收敛；如果被测样品处于非正常真空绝热状态，热流密度下降变化曲线就如图5-1中的“非正常绝热状态”那样，向较高的热流密度值进行收敛。 通过上述热流密度变化曲线可以看出，这种动态热流法可以很好的解决真空绝热材料表面高导热层对测试所带来的影响，解决了日本EKO公司在线监测仪器所存在的不足，绝热材料表面的高导热层只会使得初期的热流密度升到很大幅度，并不真正影响热流密度下降速率随内部绝热性能的变化。 动态热流法的整个测试时间主要取决于绝热材料表面的材质和厚度而定，对于普通真空绝热板的测试，测试时间一般为10~15秒；对于普通真空玻璃测试，测试时间一般为20~30秒，这样的测试速度已经完全可以满足在线测试需求。 动态热流法测试得到的热流密度并不能直接用来得到被测样品的导热系数，但因为导热系数与热流密度是线性关系，可以通过测量多个已知导热系数的标准样品来建立导热系数与热流密度的校准曲线，如图5-2所示。此校准曲线存储在测试仪器内，由此根据这种关系曲线通过热流密度测量值可以得到相应的导热系数和传热系数。[align=center][color=#cc0000] [img=,600,363]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/05/201805191129342020_253_3384_3.png!w600x363.jpg[/img][/color][/align][color=#cc0000][/color][align=center][color=#cc0000]图5-2 校准测试曲线[/color][/align] 校准用标准样品的制作基于真空绝热材料内部真空度与传热系数和导热系数的关系，标准样品可以是固定厚度的真空绝热材料，通过精确控制材料内部真空度并采用保护热板法或保护热箱法等仪器进行测量，得到标准样品不同真空度下所对应的传热系数和导热系数关系曲线，这样在采用标准样品进行动态热流法探头校准时，只要调节真空度就可以得到不同的传热系数和导热系数。 动态热流法作为一种高灵敏测试方法，可以用来快速的在线检测和判断真空绝热材料是否具有正常范围内的传热系数和导热系数，可以在30秒时间内检查真空绝热材料是否正常工作。另外，由于动态热流法测量装置是小型单面探头结构，实际测量操作时只需将探头与被测绝热材料表面接触，测试完毕后探头脱离绝热材料，通过机械结构很容易实现自动化测试，完全可以应用到真空绝热材料生产流水线上进行自动化实时监测。同时，动态热流法的检测探头非常小巧，可以实现一台主机配备多个探头对多个绝热材料的同时监测，而且还可以实现不同方向和位置上的测量，如探头放置在冰箱的顶部和侧面监测冰箱内部不同部位真空绝热板是否工作正常，监测窗体上已直立安装的真空玻璃是否工作正常。由于标准绝热材料样品由真空度的精确控制来确定，从而保证了动态热流法探头可以非常方便的进行定期校准。[b][color=#cc0000]6. 参考文献[/color][/b]（1）Collins R E，Davis C A，Dey C J，et al. Measurement of local heat flow in flat evacuated glazing. International Journal of Heat & Mass Transfer，1993， 36(10):2553-2563.（2）Simko T M， Elmahdy A H， Collins R E. Determination of the overall heat transmission coefficient (U value) of vacuum glazing. Ashrae Transactions， 1999.（3）张金维, 王立国. 真空玻璃在线测量技术// 2013全国玻璃科学技术年会论文集. 2013.（4）唐健正. 真空玻璃传热系数的计算// 2006中国玻璃行业年会暨技术研讨会. 2006.（5）唐健正， 朱亚勇， 卫正纯. 真空玻璃传热系数相关参数的测量// 2007'中国玻璃行业年会暨技术研讨会（6）中华人民共和国建材行业标准，JC/T 1079-2008，真空玻璃（7） Turner G M, Collins R E. Measurement of heat flow through vacuum glazing at elevated temperature. International Journal of Heat & Mass Transfer, 1997, 40(6):1437-1446.（8） Ng N， Collins R E， So L. Thermal conductance measurement on vacuum glazing. International Journal of Heat and Mass Transfer 49 (2006) 4877-4885.（9） Kim I, Frenzl A, Kim T, et al. Determination of Thermal Transmittance of Insulated Double Low-E Glazing Panel Using Portable Uglass, Measuring Technique. International Journal of Thermophysics, 2018, 39(1):19.

[size=16px][color=#cc0000]摘要：本文详细分析了目前稳态法（防护热板法和热流计法）测量真空绝热材料（真空绝热板和真空玻璃）导热系数中存在的技术难度，介绍了国外在提高测量精度方面所做的有意尝试和研究，结合热流计高精度校准技术的突破，展示了高精度准确测量真空绝热材料的实施途径，简单介绍了真正能在绝热材料产品生产和品控中灵活应用的导热系数测量装置。[/color][/size][align=center][size=16px]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/size][/align][size=18px][color=#cc0000]1. 稳态法导热系数准确测量难度分析[/color][/size][font=宋体][size=16px] 真空玻璃和真空绝热板是目前市场上普遍使用的隔热性能最佳的两类材料，它们的隔热性能表征一般采用导热系数这一物理性能参数，而导热系数的准确测量则普遍采用精度最高的绝对测量方法——稳态保护热板法。下面将针对真空玻璃和真空绝热板这些超低导热系数材料来分析稳态保护热板法的测量难度，也就是说，通过分析来说明准确测量超低导热系数对稳态测试方法中存在那些具体难度。[/size][/font][font=宋体][size=16px] 根据傅里叶传热定律，在稳态且一维热流条件下，被测板材样品厚度方向上的导热系数[/size][/font][font=宋体][size=16px]定义为：[/size][/font][size=16px][img=,690,65]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/12/202012112005539612_2783_3384_3.png!w690x65.jpg[/img][/size][font=宋体][size=16px][font=宋体] [/font]式中：[/size][/font][size=16px]Q[/size][font=宋体][size=16px]表示流经样品厚度方向上的热量，单位[/size][/font][size=16px]W[/size][font=宋体][size=16px]；[/size][/font][size=16px]d[/size][font=宋体][size=16px]表示被测板材样品的厚度，单位[/size][/font][size=16px]m[/size][font=宋体][size=16px]；[/size][/font][size=16px]A[/size][font=宋体][size=16px]表示热流流经被测样品的横截面积，单位㎡；Δ[/size][/font][size=16px]T[/size][font=宋体][size=16px]表示被测板材样品两个表面之间的温度差，单位℃或[/size][/font][size=16px]K[/size][font=宋体][size=16px]。[/size][/font][font=宋体][size=16px][font=宋体] [/font]对于常用的真空绝热板，其厚度一般都在[/size][/font][size=16px]10~20mm[/size][font=宋体][size=16px]。在稳态法测试过程中，样品两面的温差一般控制在[/size][/font][size=16px]15[/size][font=宋体][size=16px]℃[/size][/font][size=16px]~25[/size][font=宋体][size=16px]℃范围内，而真空绝热板的导热系数一般为[/size][/font][size=16px]3~4mW/mK [/size][font=宋体][size=16px]。[/size][/font][font=宋体][size=16px][font=宋体] [/font]为了便于分析，假设稳态护热板测试过程中，样品厚度为[/size][/font][size=16px]10mm[/size][font=宋体][size=16px]，温差控制在[/size][/font][size=16px]20[/size][font=宋体][size=16px]℃，样品横截面积为[/size][/font][size=16px]300mm[/size][font=宋体][size=16px]×[/size][/font][size=16px]300mm[/size][font=宋体][size=16px]，导热系数为[/size][/font][size=16px]4mW/mK[/size][font=宋体][size=16px]。那么在测试过程中，流经样品厚度方向上的热量按照傅里叶定律计算为：[/size][/font][size=16px][img=,690,78]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/12/202012112006318020_5772_3384_3.png!w690x78.jpg[/img][/size][font=宋体][size=16px][font=宋体] [/font]由此可见，在稳态法测试真空绝热板样品过程中，流经样品的热流量非常小。这意味着如果采用传统的保护热板法测试仪器测量超低导热系数的真空绝热板会带来极大的误差，例如，采用目前国际上计量级别的稳态法测试仪器测量导热系数为[/size][/font][size=16px]0.04W/mK[/size][font=宋体][size=16px]的隔热材料，测量精度最高可达到±[/size][/font][size=16px]1%[/size][font=宋体][size=16px]，而如果用来测量导热系数为[/size][/font][size=16px]0.004W/mK[/size][font=宋体][size=16px]的真空绝热板，则误差则会扩大到±[/size][/font][size=16px]10%[/size][font=宋体][size=16px]，而普通的稳态法测量仪器此时的测量误差很容易扩大到±[/size][/font][size=16px]50%[/size][font=宋体][size=16px]以上。由此，显而易见，经典的保护热板法导热仪基本上无法准确测量真空绝热板和真空玻璃的导热系数，[/size][/font][size=16px]Wessling[/size][font=宋体][size=16px]等人[/size][/font][size=16px][1][/size][font=宋体][size=16px]的研究也同样得出此结论。[/size][/font][font=宋体][size=16px][font=宋体] [/font]从上述傅里叶传热定律可以看出，真空绝热板导热系数的测量准确性，完全取决于热量、样品冷热面温差和样品厚度测量的准确性。[/size][/font][font=宋体][size=16px][font=宋体] [/font]有关样品冷热面温差和样品厚度测量准确性的影响因素以及保证措施，在等人[/size][/font][size=16px][2][/size][font=宋体][size=16px]的研究中进行了描述。针对具体导热系数测试仪器，温差测量和厚度测量都可以通过一系列具体措施来保证测量精度，如采用测温精度更高的热电阻温度传感器等。[/size][/font][font=宋体][size=16px][font=宋体] [/font]真空绝热板和真空玻璃导热系数准确测量的最大难度集中在测量流经样品的微小热量，与之相关的测试难点主要体现在以下几个方面：[/size][/font][font=宋体][size=16px][font=宋体] [/font]（[/size][/font][size=16px]1[/size][font=宋体][size=16px]）稳态法测试中的保护热板法，要求主加热器的热量以尽可能小的热损失传递给被测样品，但在实际测试仪器中还是会存在一定程度的热损失，也就是测量得到的热量[/size][/font][size=16px]Q[/size][font=宋体][size=16px]一般会比实际热量偏低，按照傅里叶传热定律，由此得到的被测样品导热系数一般会比实际导热系数数值要低。如果采用保护热板法测量真空绝热板和真空玻璃的超低导热系数，则主加热器上的热量则会更低，如果还要求热损失在总热量中所占比重保持不变，则对热防护措施提出更高的要求，要实现热损失小一个数量级的热防护，这对于稳态护热板法测试仪器几乎是无法实现的技术难度。[/size][/font][font=宋体][size=16px][font=宋体] [/font]（[/size][/font][size=16px]2[/size][font=宋体][size=16px]）稳态法测试中的热流计法，要求样品两面温度均匀，采用热流计来测量流经样品厚度方向上的热流密度。热流计法的优点是测量样品中心区域的热流密度而不用太考虑侧向热损失，但带来的问题是这里的热流计要采用稳态防护热板法仪器进行校准，如果要测量流经真空绝热板和真空玻璃的微小热量，同样需要稳态防护热板法仪器能准确提供如此小热量的准确热流来进行热流计校准。由此可见，热流计法测量真空绝热材料的测试难题同样归结到了上述稳态护热板法无法实现的技术难题上。[/size][/font][font=宋体][size=16px][font=宋体] [/font]（[/size][/font][size=16px]3[/size][font=宋体][size=16px]）为了实现稳态法微小热量下导热系数的准确测量，[/size][/font][size=16px]Wessling[/size][font=宋体][size=16px]等人[/size][/font][size=16px][1][/size][font=宋体][size=16px]采用了[/size][/font][size=16px]ASTM C 1114[/size][font=宋体][size=16px]“薄加热装置稳态热传导特性的试验方法”对真空绝热板进行了测试研究，如图[/size][/font][size=16px]1[/size][font=宋体][size=16px]所示。[/size][/font][size=16px]ASTM C 1114[/size][font=宋体][size=16px]方法实际上一种防护热板法的变化形式，是将双样品防护热板法装置中的主加热器和护热加热器用一个薄加热器代替，两个尺寸和性能完全相同的被测样品板把此薄加热器加持在中间，这样可以有效的降低侧向热损，并认为施加在薄加热器中的电能完成转换为热量传递给样品。[/size][/font][size=16px]Wessling[/size][font=宋体][size=16px]等人的工作证明了薄加热器装置测量真空绝热板导热系数的有效性，但这种测试方法和装置只能适用于双样品测试，而且样品尺寸会因为真空腔体和薄加热器等因素的限制而有固定限制，不太适合作为适合各种不同规格尺寸真空绝热板和真空玻璃导热系数测试的通用型仪器设备。[/size][/font][align=center][size=16px][img=,438,500]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/12/202012112007008163_2840_3384_3.jpg!w690x786.jpg[/img][/size][/align][align=center][size=16px][color=#cc0000][font=宋体]图[/font]1 ASTM C 1114[font=宋体]薄加热器真空绝热板导热系数测试系统[/font][/color][/size][/align][font=宋体][size=16px][font=宋体] [/font]（[/size][/font][size=16px]4[/size][font=宋体][size=16px]）尽管上述薄加热器改善了稳态法测试中的热损，但热损失还是实际真空绝热板和真空玻璃导热系数测量中的主要误差源，这是因为大多数真空绝热板外表面耐磨损的金属或塑料薄膜，而这些薄膜是侧向热损的主要热通道，而真空玻璃的外部玻璃也是热损的主要通道。这些热通道对于普通隔热材料而言所造成的热损可以忽略不计，但对于真空绝热板和真空玻璃测试中的微小热流，则这些热通道所带来的热损失则显着十分突出。[/size][/font][font=宋体][size=16px][font=宋体] [/font]（[/size][/font][size=16px]5[/size][font=宋体][size=16px]）目前稳态法测试中的一个突出难题是测试仪器很难覆盖各种规格尺寸真空绝热板和真空玻璃的导热系数测试评价，一般是采用庞大的测试设备来进行覆盖，使得测试仪器的造价十分昂贵。[/size][/font][size=18px][color=#cc0000]2.[font=宋体]解决方案[/font][/color][/size][font=宋体][size=16px][font=宋体] [/font]为了解决上述真空绝热材料导热系数测试中存在的难度，上海依阳实业有限公司采用最新独创性技术，提出了以下具体解决方案以及具体分析。[/size][/font][font=宋体][size=16px][font=宋体] [/font]（[/size][/font][size=16px]1[/size][font=宋体][size=16px]）测试方法还是基于稳态法，但采用的稳态热流计法，这样就无需考虑热损给准确测量带来的影响，同时还可以实现测试仪器的较低造价和灵巧尺寸。[/size][/font][font=宋体][size=16px][font=宋体] [/font]（[/size][/font][size=16px]2[/size][font=宋体][size=16px]）为了保证测量的准确性和快捷性，方案中所用的稳态热流计法是一种改进型方法，即护热式稳态热流计法，即在被测样品的两个表面都进行了高精度的护热，以在被测样品两个表面上形成一定面积的高精度均温区，避免被测样品表面导热对测量结果带来的影响。[/size][/font][font=宋体][size=16px][font=宋体] [/font]（[/size][/font][size=16px]3[/size][font=宋体][size=16px]）热流计法高精度测量绝热材料超低导热系数的核心技术是对热流计进行高精度的校准。上海依阳实业有限公司在热流计校准技术方面最近取得了突破，采用高精度量热技术，可以在测量仪器上通过量热模块以自校准方式快速和高精度的校准测量用热流计，校准精度远大于经典防护热板法测量仪器的校准精度。再结合使用高灵敏度热流计，可以实现对流经真空绝热板和真空玻璃微小热流的高精度测量。[/size][/font][font=宋体][size=16px][font=宋体] [/font]（[/size][/font][size=16px]4[/size][font=宋体][size=16px]）按照傅里叶稳态传热公式[/size][/font][size=16px](0.0.1)[/size][font=宋体][size=16px]，在被测样品性能（导热系数和厚度）固定的条件下，如果要准确测量超低导热系数，可以设法增大热量和增大温差，即在测试过程中适当的增大被测样品冷热面的温差，从而在仪器的固定测量精度下能明显提高导热系数测量精度。[/size][/font][font=宋体][size=16px][font=宋体] [/font]（[/size][/font][size=16px]5[/size][font=宋体][size=16px]）由于真空绝热板和真空玻璃的厚度普遍较小，测试面积（如正方形边长[/size][/font][size=16px]100mm[/size][font=宋体][size=16px]）完成能够满足稳态法测量实现一维热流过程中对测试面积的要求。因此，测量装置将采用正方形结构（边长[/size][/font][size=16px]100mm[/size][font=宋体][size=16px]）或圆形结构（直径[/size][/font][size=16px]100mm[/size][font=宋体][size=16px]），可以大幅度降低测试仪器尺寸和相应造价。[/size][/font][font=宋体][size=16px][font=宋体] [/font]（[/size][/font][size=16px]6[/size][font=宋体][size=16px]）真空绝热板和真空玻璃导热系数测量装置将采用便携式分体结构，如图[/size][/font][size=16px]2[/size][font=宋体][size=16px]所示。整个测量装置主要包含加热装置和热流测量装置两部分，它们的尺寸边长在[/size][/font][size=16px]200mm[/size][font=宋体][size=16px]左右。在测试过程中，分别将它们紧贴在被测绝热材料板两侧。由此可以看出，这种结构和尺寸的导热系数测量装置，基本可以覆盖所有真空绝热板和真空玻璃产品的导热系数测量，并十分具有灵活性，通过放置在产品的不同部位可测量产品的导热系数分布。[/size][/font][align=center][size=16px][img=,500,185]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/12/202012112007573283_8484_3384_3.jpg!w690x256.jpg[/img][/size][/align][font=宋体][size=16px][/size][/font][align=center][size=16px][color=#cc0000][font=宋体]图[/font][font=&]2 [/font][font=宋体]真空绝热材料导热系数稳态热流计法测量装置测量布局图[/font][/color][/size][/align][font=宋体][size=16px][font=宋体] [/font]（[/size][/font][size=16px]7[/size][font=宋体][size=16px]）由于具有超高的测量精度以及样品尺寸的兼顾性，此方案的导热系数测量装置自然可以测量常温常压下普通隔热材料的导热系数。[/size][/font][size=18px][color=#cc0000]3.[font=宋体]参考文献[/font][/color][/size][font=宋体][size=16px]（[/size][/font][size=16px]1[/size][font=宋体][size=16px]）[/size][/font][size=16px]Wessling, Francis C., et al. [/size][font=宋体][size=16px]“[/size][/font][size=16px]Subtle Issues in theMeasurement of the Thermal Conductivity of Vacuum Insulation Panels.” Journalof Heat Transfer-Transactions of The Asme, vol. 126, no. 2, 2004, pp. 155–160..[/size][font=宋体][size=16px]（[/size][/font][size=16px]2[/size][font=宋体][size=16px]）[/size][/font][size=16px]Cucchi, Chiara, et al. [/size][font=宋体][size=16px]“[/size][/font][size=16px]Standard-BasedAnalysis of Measurement Uncertainty for the Determination of Thermal Conductivityof Super Insulating Materials”. 2020, pp. 171–184.[/size][align=center][size=16px]=======================================================================[/size][/align]

实验器材DZDR-S型导热系数测定仪一台 微晶玻璃陶瓷两块 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/10/201310221411_472162_2809716_3.png http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/10/201310221152_472140_2809716_3.png实验过程及分析瞬态平面热源法是研究热传导性能中精确、方便、快速的一种方法。它是一种新技术，在研究材料时能够快速准确的测量热导率。该方法采用双螺旋结构的平面探头，用合金薄片刻蚀而成。测量时，平面探头要放置在两个样品之间，探头既是热源，又是传感器。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/01/201701191656_648171_2809716_3.png http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2013102211402976_01_2809716_3.png测试时间4-160s左右可任意设置，该实验选择40秒的测试时间。样品不需要特别的制备，对样品形状也无特殊要求，只需相对平滑的样品表面并且满足长宽至少为探头直径的两倍即可，该探头直径15mm。实验选择两个形状为长方体的样品。测试时把探头放置在两个样品平面之间，打开测试软件和主机，选择好通讯端口，按材料类型在主机上选择不同的测试条件，最后点击仪器屏幕上“开始测试”，仪器测试结束时，电脑上的测试软件导入数据，数据传输结束后，根据实验需要分析处理数据，得到实验结果（探头不能空烧，另外重复实验时，前后时间间隔不能少于30分钟）。经过软件分析处理最终实验结果为1.75w/m.khttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/10/201310221341_472159_2809716_3.png http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/10/201310221342_472160_2809716_3.png http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/10/201310221340_472158_2809716_3.jpg

[table][tr][td][color=#ff0000]摘要：本文针对耐火隔热材料导热系数测试中的大温差和小温差这两类主流测试方法，明确了有效导热系数和真导热系数的定义，首次详细描述了这两个参数之间的关系、区别和详细转换方法，明确了这两类主流测试方法的适应范围，从而便于在耐火隔热材料性能评价中选择合适的测试方法，有利于对耐火隔热材料的隔热性能做出准确测试评价，从而保证对隔热材料及结构的正确选择和设计。[/color][/td][/tr][/table]关键词：耐火材料、隔热材料、有效导热系数、真导热系数、导热系数、大温差、测试方法[align=center][b][color=#3333ff]注：文中有大量公式，但不便在网页中进行完整显示。本文的PDF格式完整版本，已在本文的结尾处附上。[/color][/b][/align][b][color=#ff0000]1. 引言[/color][/b] 导热系数是评价和使用耐火隔热材料的关键参数，但在实际测试和应用中还存在许多困惑和误区。 耐火隔热材料在实际高温条件下使用时多为板材和管材，隔热材料大多处于一个受热面和背热面温度相差巨大的热环境中。而在材料样品导热系数具体测试中，有些是在模拟实际使用热环境的大温差条件下进行测量，而有些则是在很小温差、甚至没有温差的条件下进行测量，不同的测量导致所得到的结果相差很大，这给耐火隔热材料的性能评价和使用带来很大困扰。 由于技术上的局限性和测试及验证手段不足等原因，耐火隔热材料行业多年来一致对耐火隔热材料导热系数测试方法缺乏准确的理解，对哪种测试方法更能准确表征耐火隔热材料性能并不明确，由此造成测试方法混杂和乱用的现象，使得很多隔热结构设计人员在耐火隔热材料的性能评价和选材中不知该用哪种测试方法，经常会出现误导现象，甚至导致工程应用中出现漏热等重大事故。 为了满足耐火隔热材料在实际工程中的应用，加强对耐火隔热材料导热系数测试的准确了解，规范耐热隔热材料导热系数测试方法的选择，本文首次将耐火材料导热系数测试方法，按照测试过程中样品一维热流方向上的大温差和小温差进行分类，由此分别定义出有效导热系数和真导热系数。通过对这两种导热系数分析、计算和验证，展示出这两种导热系数的区别、相互关系以及可转化性，明确如何正确选择耐火隔热材料测试方法，明确如何正确描述和表达耐火隔热材料的隔热性能，由此实现耐火隔热材料测试评价和选材的规范性。[color=#ff0000][b]2. 耐火隔热材料导热系数主要测试方法和设备2.1. 测试方法[/b][/color] 材料导热系数测试方法主要分为稳态法和瞬态法，对于耐火隔热材料的导热系数测试而言也是如此。但由于耐火隔热材料一般都是在高温下使用，所以相应的测试方法也需要满足高温要求。由此，目前国内外也仅有限几种方法可用于耐火隔热材料高温条件下的导热系数测试，如图 2‑ 1所示。[align=center][img=,500,156]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/02/201802142042533218_8908_3384_3.png!w690x216.jpg[/img][/align][align=center][color=#ff0000]图2‑ 1 耐火隔热材料高温导热系数测试方法分类[/color][/align] 采用以上测试方法进行耐火隔热材料的测试设备如下：[color=#ff0000][b]2.2. 测试设备2.2.1. 稳态热流计法高温导热系数测试仪器[/b][/color] 稳态热流计法高温导热系数测试仪器依据GB/ T 10295、ASTM C201和ASTM C518标准测试方法，是一种标准的稳态法导热系数测试设备。稳态热流计法高温导热系数测量原理如图 2‑ 2所示，当水平放置的被测平板状样品上下热面和冷面处在恒定温度时，在被测样品的中心区域和热流测量装置的中心区域会建立起类似于无限大平板中存在的一维稳态热流。通过测量热流密度、试样的热面和冷面温度以及试样厚度则可获得被测试样的导热系数。稳态热流计法高温导热系数测试仪器图 2‑ 3所示。[align=center][img=,690,389]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/02/201802142044227159_7689_3384_3.png!w690x389.jpg[/img][/align][align=center][color=#ff0000]图2‑ 2 热流计法高温导热系数测量装置原理图[/color][/align][align=center][color=#ff0000][img=,690,535]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/02/201802142044416555_2241_3384_3.jpg!w690x535.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图2‑ 3 上海依阳公司热流计法高温导热仪[/color][/align] 与其它测试方法相比，稳态热流计法高温导热系数测试方法及其仪器最显著特点就是测试条件可以模拟耐火隔热材料在各种实际工程中的应用环境，稳态热流计法是目前唯一能模拟出实际工程隔热环境的测试方法，在被测样品上能够建立起工程实际应用中的隔热大温差，即温度样品冷面可以控制在室温～50℃以下，而样品热面温度则可以达到1500℃以上的高温。[b][color=#ff0000]2.2.2. 稳态保护热板法中温导热系数测试仪器[/color][/b] 稳态保护热板法导热系数测试仪器依据GB/T 10294和ASTM C177标准测试方法，是一种标准的稳态法导热系数测试设备。稳态保护热板法导热系数测试原理如图 2‑ 4所示。保护热板法有单样品和双样品之分，样品置于加热板上，样品2/3尺寸大小的热板内布置用于量热的加热丝，其它尺寸外缘部分布置防护加热丝，并有隔离缝，下部是辅助防护加热，这样热板部分的发热量通过样品形成一维稳态热流，均作为热流密度的计算量，因此保护热板法是一种绝对方法。稳态保护热板法高温导热系数测试仪器如图 2‑ 5所示。[align=center][img=,516,301]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/02/201802142045185716_9092_3384_3.jpg!w516x301.jpg[/img][/align][align=center][color=#ff0000]图2‑ 4 单样品防护热板法测量原理图[/color][/align][align=center][color=#ff0000][img=,441,486]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/02/201802142045307632_8761_3384_3.jpg!w441x486.jpg[/img][/color][/align][color=#ff0000][/color][align=center]图2‑ 5 德国耐驰公司高温保护热板法分析仪[/align] 稳态保护热板法高温导热系数测试方法及其仪器最显著特点就是其测量精度最好，常用于计量和校准标准材料和其它测试仪器，被测样品冷热面温差小，最大不超过50℃，但保护热板法测试仪器用于耐火保温材料导热系数测试中的最大问题是测试温度不高，样品热面温度最高只能达到600℃。[b][color=#ff0000]2.2.3. 准稳态高温导热系数测试仪器[/color][/b] 准稳态导热系数测试技术是一种新型测试方法，准稳态高温导热系数测试仪器依据ASTM E2584标准测试方法。准稳态法是一种介于稳态法和瞬态法之间的一种测试方法，准稳态导热系数测试原理如图 2‑ 6所示。[align=center][img=,560,370]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/02/201802142046135293_9233_3384_3.png!w690x457.jpg[/img][/align][align=center][color=#ff0000]图 2‑ 6 准稳态法导热系数测量原理图[/color][/align] 准稳态法采用的是一维热流加热方式，被测平板状样品在被加热或冷却到一定阶段后，通过试样的热流速度将达到一个缓慢变化状态，也就是准稳态状态，由此可以测量样品在加热和冷却过程中热流随时间的变化速度，，通过得到的准稳态条件下的热流和温度变化测试数据，可以准确计算出被测材料的热扩散系数、热容、热焓和导热系数。准稳态法高温导热系数测试仪器如图 2‑ 7所示。[align=center][img=,500,578]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/02/201802142047447306_5655_3384_3.png!w690x798.jpg[/img][/align][align=center][color=#ff0000]图 2‑ 7 上海依阳公司准稳态法高温导热仪[/color][/align] 从原理上讲准稳态法是一种大温差形式的动态测试方法，在试验过程中的测量参数都是试样表面温度变化，不涉及到材料的内部变化，而是将材料的内部变化都看成为一个等效传热过程，因此这种方法可以用于材料在具有相变和化学反应过程中的有效热扩散系数、热容、热焓和有效导热系数测量。准稳态法的另外一个突出优点在于大大缩短了测试周期，基本可在36小时内测试得到一条有效导热系数随温度的变化曲线。[b][color=#ff0000]2.2.4. 瞬态热线法高温导热系数测试仪器[/color][/b] 瞬态热线法导热系数测试仪器依据GB/T 5990和ASTM C1133标准测试方法，是一种标准的瞬态法导热系数测试设备。瞬态热线法导热系数测试原理如图 2‑ 8所示。[align=center][img=,475,359]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/02/201802142048251129_5443_3384_3.jpg!w475x359.jpg[/img][/align][align=center][color=#ff0000]图 2‑ 8 热线法导热仪结构原理图[/color][/align] 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。热线法高温导热系数测试仪器如图 2‑ 9所示。[align=center][img=,690,555]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/02/201802142048505870_3628_3384_3.jpg!w690x555.jpg[/img][/align][align=center][color=#ff0000]图2‑ 9 美国TA公司热线法高温导热仪[/color][/align] 瞬态热线法高温导热系数测试方法及其仪器最显著特点就是仪器结构简单和测试温度高，可以轻松实现1400℃下的高温测试，这也是过去常用的耐火隔热材料导热系数测试方法和仪器。 与上述稳态测试方法相比，瞬态热线法高温导热系数测试方法及其仪器在测试过程中要求被测样品整体温度达到均匀一致后再进行测量，所以瞬态热线法是一种无温差的测试方法。由于热线法中的热线很细，热线通电加热后热量向热线的径向方法传播，所以热线法测量的是样品整体导热系数而没有方向性，所以热线法要求被测样品由各向同性材质制成。[b][color=#ff0000]2.2.5. 瞬态闪光法高温导热系数测试仪器[/color][/b] 需要特别指出的是：传统意义上的瞬态闪光法并不适合对耐火隔热材料材料的导热系数进行测试， 这主要是因为耐火隔热材料的导热系数普遍偏低，脉冲光辐照到样品前表面后，脉冲形式的加热热量无法传递到样品背面，使得样品背面几乎没有任何温度变化，背温探测器基本检测不到任何温升信号。因此，Gembarovic和Taylor在闪光法基础上开发了一种步进加热三点测温的测试方法用于低导热材料的高温热扩散系数测量，测量原理如图 2‑ 10所示，整个测量装置的结构如图 2‑ 11所示。[align=center][img=,600,363]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/02/201802142049373131_4398_3384_3.png!w690x418.jpg[/img][/align][align=center][color=#ff0000]图 2‑ 10 瞬态步进加热三点测温法高温热扩散系数测量原理图[/color][/align][align=center][b][img=,690,441]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/02/201802142049522161_6872_3384_3.png!w690x441.jpg[/img][/b][/align][align=center][color=#ff0000]图2‑ 11 瞬态步进加热三点测温法高温热扩散系数测试系统结构示意图[/color][/align] 这种测试方法和设备可以对相对较小的样品（）进行温度高达1500℃下的高温热扩散系数测量，测量原理与闪光法近似，只是将闪光加热的脉冲宽度加的很长，对样品表面进行长时间的加热，从而使得热量能传递到样品背面获得有效测量信号。但这种测试方法在取样过程中样品不能太厚，否则热量还是无法传递到样品背面，由此很容易造成取样没有代表性问题。[b][color=#ff0000]2.3. 各种测试方法测试能力比较[/color][/b] 通过上述耐火隔热材料导热系数各种测试方法和相应测试设备的描述，将各种测试方法和测试仪器的主要特点、能力和要求进行汇总比较，如图 2‑ 12所示，由此对各种测试方法有一个直观的了解。[align=center][color=#ff0000][img=,590,160]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/02/201802142051019290_574_3384_3.png!w690x188.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图2‑ 12 耐火隔热材料导热系数测试方法和测试仪器比较[/color][/align] 从图 2‑ 12中的综合比较可以看出，综合能力排名前两位的是准稳态法和稳态热流计法，这也就是上海依阳实业有限公司选择生产这两种测试仪器的主要原因之一。[b][color=#ff0000]3. 真导热系数和有效导热系数的定义[/color][/b] 根据上述针对耐火隔热材料导热系数测试方法所进行的介绍，可以发现尽管测试方法和测试设备有不同形式，但这些测试方法都离不开温度场这个环境变量和测试条件，即无论测试方法怎么变化，都必须使得被测样品要么是大温差、要么是小温差（将无温差归到小温差范围内）。这样，我们就可以将耐火隔热材料的导热系数按照温差大小分别对应进行定义，即： （1）样品小温差下，或无温差下得到的导热系数定义为真导热系数； （2）样品大温差下测量得到的导热系数定义为有效导热系数。 以往有效导热系数的定义多根据被测样品的均质性和组分结构的多样性来定义，并没有明确的按照测试温差大小（或使用过程中的温差大小）来定义。现在明确采用温差大小来定义和区分有效导热系数和真导热系数的不同，一方面是便于今后对耐火隔热材料测试方法选择和耐火隔热材料热性能的准确描述，另一方面也是依据标准测试方法所做的规定。 在国内外所有稳态法导热系数标准测试方法中，都指出：“通过测量热流、温差及样品厚度尺寸，利用稳态傅立叶导热公式计算得到的材料传热性质（导热系数或有效导热系数），可能并不是材料自身固有特性，因为它很大程度上可能取决于具体测试条件，例如试验过程中样品上的冷热面温差大小”。这句话指出了两个基本事实，可以理解为有两个含义： （1）一个事实就是材料的固有特性，即材料的固有特性是不受测试条件影响而本身存在的。所以在测试过程中要明确了解到底测量的是不受测试条件影响的材料固有特性，还是测量与测试或使用环境有关的特定环境特性。 （2）材料的固有特性，很大程度取决于具体测试条件，即取决于样品上的冷热面温差大小。温差小时测量得到则是固有特性，温差大时测量得到的则不是固有特性。 根据标准测试方法中的这些规定，就可以很容易进一步明确耐火隔热材料导热系数的定义： （1）样品小温差下，或无温差下得到的导热系数定义为真导热系数，即样品材料的固有导热系数； （2）样品大温差下测量得到的导热系数定义为有效导热系数，即样品材料的环境导热系数。 由此可见，一旦材料制成，其真导热系数就会固定不变，真导热系数就是这材料的固有特性。而这种材料在不同使用温度环境下，则会有相应的有效导热系数，这主要是因为在大温差条件下，有效导热系数会包含除真导热系数之外，还包括与辐射和对流传热相对应的辐射导热系数和对流导热系数。 由此可见，在小温差条件下，假设不考虑辐射传热和对流传热形式，同时假设也忽略气体导热传热，那么所谓的真导热系数，基本就代表了材料的固相导热系数。因此，为了对样品材料的真导热系数进行准确测量，很多标准测试方法对导热系数测试中的小温差进行了规定：GJB 329规定测试温差应控制在10～50℃，GB／T 10295建议温差控制在5～10℃，ASTM相关标准规定该温差应不大于25℃。由此可见，在最大温差不超过50℃条件下，就可以忽略稳态法测量中辐射和对流传热的影响，稳态法测量得到的样品导热系数，就是真导热系数。需要注意的是：耐火隔热材料由于低密度和高孔隙率，材料内部有大量孔隙，由此这个真导热系数，包括了材料的固体导热系数和气体导热系数。 根据上述小温差的定义，温差小于50℃的导热系数测试都是真导热系数测试。那么对于样品温度均匀无温差的测试，所得到的导热系数更是真导热系数。完成了两种导热系数定义后，就可以很明确知道不同测试方法测量得到不同类型的导热系数，即： （1）真导热系数测试方法：保护热板法、瞬态热线法、瞬态闪光法。 （2）有效导热系数测试方法：热流计法、准稳态法。[color=#ff0000][b]4. 真导热系数与有效导热系数的关系及其转换4.1. 问题的提出[/b][/color] 对于耐火隔热材料的性能测试，国内外都处于非常混乱的局面，有些测试得到的有效导热系数，有些测试得到的则是真导热系数，这些不同导热系数往往会引起隔热材料选择和隔热结构设计的混乱，特别是在耐火隔热材料高温性能测试中，测试方法的混乱使用很容易造成对隔热性能的高估，从而造成隔热效果不佳，甚至出现漏热事故和爆炸。因此，针对耐火隔热材料，如何才能准确测试和描述导热系数才能准确和实用呢，下面将从理论分析方面来对这个问题进行求解。[b][color=#ff0000]4.2. 真导热系数与有效导热系数的关系[/color][/b] 按照上述小温差和大温差形式分别定义真导热系数和有效导热系数，我们选择小温差的保护热板法法和大温差的热流计法来研究真导热系数与有效导热系数的关系。对于大温差的热流计法导热系数测量，有效导热系数的测量公式为： 式中表示流经样品厚度方向上的热流密度，表示样品厚度，表示样品热面温度，表示样品冷面温度。在热流计法大温差测量过程中，样品冷面温度的变化一般较小，基本都控制在50℃以下，而热面温度则较大（1000℃）。大温差下得到的有效导热系数的描述，都需要明确热面温度和冷面温度，并可用平均温度来表达。对于小温差的保护热板法导热系数测量，真导热系数的测量公式为： 式中同样表示流经样品厚度方向上的热流密度，表示样品厚度，表示被测样品冷热面之间的温度差。在保护热板法小温差测量过程中，冷热面温差很小，基本都控制在50℃以下。小温差下得到的真导热系数的描述，由于温差小，则可以直接用平均温度来描述，而无需标明热面温度和冷面温度。 尽管大温差和小温差所对应的两种测试方法不同，但这两种方法都是基于稳态傅立叶传热定律，公式和中各个参量的物理意义是相同的。因此，大温差的热流计法导热系数测量，可以在测试模型和数学上假设是由多个相同厚度的小温差保护热板法多层叠加而成，即和。这个假设的前题是： （1）样品材料在测试温度范围内没有化学反应或相变。 （2）在小的温度和气压区间内，真导热系数或保持不变、或呈线性关系。 （3）耐火隔热材料中的热传递形式一般由固相介质导热、[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp]气相[/url]介质导热及辐射传热三部分构成，如果材料内部不存在通孔形式的孔隙，可忽略辐射传热对整体热传递的贡献。 这样，大温差的热流计法导热系数测试模型数学表达式，就可以用小温差的保护热板法导热系数测试模型数学表达式的积分形式来描述，由此得出有效导热系数与真导热系数关系式为： 式中的和代表温度和气压变量。通过公式所定义的真导热系数与有效导热系数的关系，就可以进行这两种导热系数之间的转换，即通过大温差的有效导热系数测量推导出相应的小温差时的真导热系数，或根据小温差真导热系数测量推导出大温差时的有效导热系数。[b][color=#ff0000]4.3. 由真导热系数推导有效导热系数[/color][/b] 由真导热系数测试结果推导出大温差条件下的有效导热系数，即据根真导热系数测试结果推算出在温度～范围内的大温差有效导热系数，具体实施方法就是在温度～范围内选择一系列温度点进行保护热板法或瞬态热线法导热系数测试，得到一系列不同温度下的真导热系数测试结果。这里的在保护热板法测试中代表样品的平均温度，在瞬态热线法和瞬态闪光法中代表样品温度。然后将测试结果（，）进行最小二乘法拟合得到一个多项式表达式： 式中的、、和是与样品材料自身特性有关的多项式常数。大多数耐火隔热材料的真导热系数与温度的非线性关系一般都可以用一元三次多项式描述。 将得到的真导热系数随温度变化多项式代入公式，然后进行积分求解就可以得到相应的有效导热系数。针对气压变量的真导热系数推导有效导热系数也是如此操作。[b][color=#ff0000]4.4. 由有效导热系数推导真导热系数[/color][/b] 同样，在有效导热系数推导真导热系数过程中，假设真导热系数随温度变化关系是一个三元一次多项式，即： 式中的、、和是与材料自身特性有关的待定常数。将式直接代入与式可得： 在式中只有、、和四个未知数，理论上可以通过4个式的联立方程就可求解出这四个未知数。即在理论上通过4次值调整，即进行4个不同热面温度下的稳态热流计法导热系数测试试验，同时保持样品冷面温度基本不变，由此得出4组相应的、值，就可建立这4个联立方程，从而求出4个待定常数、、和的值，最终得到真导热系数与温度的关系表达式。 从式中可以看出，式对温差大小没有任何限制。因此可以在容易实现的大温差测试条件下进行相应测试和测算。为了提高这种方法的推导计算准确性，在选取值时应尽可能接近所需要的温度值。例如需求1000℃的材料真导热系数，选取的4个值中至少应有一个值为1000℃或大于1000℃。如果需要某一特定温度段的真导热系数，比如需要500～1000℃之间的材料真导热系数，那么4个值建议选取为500℃、l 000℃以及介于500℃与1000℃之间的2个温度点数据。同时，需要说明的是本方法不是利用低温段真导热系数进行高温真导热系数简单外推，而是在掌握大温差测试条件下有效导热系数相关数据的基础上，通过确定所假设的函数待定常数来最终获取耐火隔热材料高温真导热系数，并且假设的函数形式是统计分析得出的结论以及ASTM相关标准认可的。[b][color=#ff0000]5. 结论[/color][/b] 通过以上的理论分析和计算，针对耐火隔热材料导热系数测试中常用的小温差和大温差两类测试方法，明确了有效导热系数和真导热系数的定义，首次详细描述了这两个参数之间的关系、区别和详细转换方法，明确了这两类主流测试方法的适应范围，，从而便于在耐火隔热材料性能评价中选择合适的测试方法，有利于对耐火隔热材料的隔热性能做出准确测试评价，从而保证对隔热材料及结构的正确的选择和设计。 下一部工作将针对各种耐火隔热材料的有效导热系数和真导热系数测试数据，对上述的真导热系数和有效导热系数之间的关系和转换方式进行试验验证，由此来对测试方法、测试设备和两种导热系数相互关系及其转换进行评价。[b][color=#ff0000]6. 参考资料[/color][/b] （1） Gembarovic, J., and Taylor, R. E., “A Method for Thermal DiffusivityDetermination of Thermal Insulators,” International Journal of Thermophysics,Vol. 28, No. 6, 2007, pp. 2164-2175.[align=center][img=上海依阳公司热流计法高温导热系数测试系统,690,499]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/02/201802142040536176_2249_3384_3.png!w690x499.jpg[/img][/align][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[color=#990000]摘要：针对用户提供的阻燃泡棉样品，某第三方检测机构测试了样品在不同压缩率下的导热系数，测试结果呈现出随压缩率增加（密度增大）导热系数降低的反常现象。本文介绍了针对这一反常现象所开展的对比测试，证明了这是一起典型的测试事故，此第三方机构的检测结果除违反常识规律之外，未压缩状态下的导热系数测量结果也存在2倍以上的误差。此次案例分析说明某第三方检测机构缺乏测试质量品控的管理措施，需加强测试仪器测量准确性的考核和校准。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px][color=#990000]一、案例背景[/color][/size] 某材料生产厂家给某材料使用机构提供阻燃泡棉产品，随产品附带了某第三方检测机构的检测报告，测试报告展示了阻燃泡沫送检样品在不同压缩率下的导热系数测试结果。测试结果显示出随着压缩率的增加（阻燃泡棉密度增加），导热系数呈线性上升趋势。 针对第三方检测机构测试结果呈现出的反常现象，材料使用机构对检测报告的准确性提出了质疑，由此提出更换检测机构对阻燃泡棉从新进行测试，以进行对比验证。[size=18px][color=#990000]二、某第三方检测机构测试结果[/color][/size] 针对阻燃泡棉送检材料，如图1所示，某第三方检测机构对取样样品进行了测试，测试参数如下： （1）样品尺寸：直径25mm，厚度8mm。 （2）材料密度：250±40kg/m3。 （3）测试温度：23±2℃，湿度50±5%RH。 （4）测试方法：ASTM D5470-17。[align=center][img=导热系数测试,550,353]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111301717082642_9738_3384_3.png!w690x444.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图1 阻燃泡棉被测材料[/color][/align][color=#330033] 具体测试条件如图2所示，测试结果如图3所示。[/color][align=center][img=导热系数测试,550,282]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111301718239403_914_3384_3.png!w690x354.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图2 导热系数测试条件[/color][/align][align=center][img=导热系数测试,550,263]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111301718379552_9327_3384_3.png!w690x331.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图3 不同压缩率时的导热系数测试结果[/color][/align] 从上述某第三方检测机构测量结果可以发现以下两方面的问题： （1）按照图2所示的测试条件，压缩率为20.9%时，计算得到的导热系数测试结果应为0.135W/mK，而不是报告中所示的0.127W/mK。 （2）按照图3所示的导热系数测试结果以及纠正后的数据，得到如图4所示的不同压缩率下导热系数的变化。由此可见，随着压缩率的增加，被测样品密度随之增加，但导热系数呈线性降低变化趋势，这显然严重违背一般低密度材料导热系数随密度增加而增加的规律。[align=center][img=导热系数测试,550,339]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111301718539012_8230_3384_3.png!w690x426.jpg[/img][/align][color=#990000][/color][align=center][color=#990000]图4 阻燃泡棉导热系数随压缩率变化测试结果[/color][/align][size=18px][color=#990000]三、比对测试结果[/color][/size] 针对阻燃泡棉送检材料我们开展了比对测试，测试参数如下： （1）样品尺寸：50mm × 50mm × 40mm。 （2）测试温度：22±1℃，湿度30± 5%RH。 （3）压缩率 ： 0、5、10、20、30、40、50和60%。 （4）测试方法：ISO 22007-2。被测样品如图5所示，样品测试如图6所示，比对测试结果如图7所示。[align=center][color=#990000][img=导热系数测试,550,294]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111301719202498_7446_3384_3.jpg!w690x369.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图5 阻燃泡棉比对测试样品[/color][/align][align=center][color=#990000][img=导热系数测试,550,455]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111301719319834_2567_3384_3.jpg!w690x571.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图6 不同压缩率下的导热系数测试[/color][/align][align=center][color=#990000][img=导热系数测试,550,330]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/11/202111301719432405_1591_3384_3.png!w690x414.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图7 不同压缩率时的导热系数比对测试结果[/color][/align] 从图7结果可以看出，泡棉样品在无压缩情况下的导热系数测试结果与以往相近密度材料的测试结果近似，而且随着压缩率的增加，导热系数变化规律是呈线性增加趋势，这也符合低密度材料的规律。[size=18px][color=#990000]四、案例分析[/color][/size] 从上述对比测试结果可以看出，某第三方检测机构的测试结果明显存在严重误差，导热系数随压缩率变化的方向都完成相反，显然在测试过程中测试设备发生了严重问题。 某第三方检测机构所采用的方法是经典的D5470法，此方法适合低密度材料的导热系数测量，但在测量中执行严格的测试规程和校准，否则很容易出现错误。[align=center]=======================================================================[/align]

[color=black]Pyroceram[sup][/sup][/color][color=black]是康宁公司开发的多晶型硅酸镁铝微晶玻璃。此材料密度低、耐高温达1000°C，同时还具备类似钢材等金属合金的力学性能，因而广泛应用于厨具、实验室加热盘等。美国航天局NASA采用此材料制造轻量化且满足相应热学和力学性能要求的零部件。[/color][color=black]Pyroceram[sup] [/sup]9606[/color][color=black]具有稳定良好的高温热传递性能（包括导热和热扩散）而被批准为标准材料，它由NPL（UK）公司制造，标号BCR-724，由IRMM发行销售。[/color][color=black]热膨胀仪（DIL）和热机械分析仪（TMA）是测量Pyroceram[sup][/sup]和其他玻璃陶瓷材料热膨胀的理想方法。[/color][b]测[color=black]试条件[/color][/b][color=black]耐驰热机械分析仪 TMA 402 F1 Hyperion[/color][table][tr][td=1,1,370][color=black]温度范围：-20°C ～ 300°C[/color][/td][td=1,1,370][color=black]加热与降温速率：2°C/min[/color][/td][/tr][tr][td=1,1,370][color=black]气氛：He，20ml/min[/color][/td][td=1,1,370][color=black]样品长度：25.41 mm[/color][/td][/tr][tr][td=1,1,370][color=black]样品支架：石英[/color][/td][td=1,1,370][color=black]测量模式：膨胀[/color][/td][/tr][/table][b]结果讨论[img=,590,329]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/06/201806131417027350_5522_163_3.jpg!w590x329.jpg[/img][/b][color=#000000]图谱显示了[/color][color=#000000]Pyroceram[sup][color=black][/color][/sup] 9606[/color][color=#000000]样品的实测热膨胀曲线（黑色）和文献数据（红色）比对，两条数据曲线十分吻合，说明[/color][color=#000000]TMA 402 F1 Hyperion[/color][color=#000000]能够获得很高的测试准确度。实测的平均热膨胀系数（[/color][color=#000000]0[/color][color=#000000]°[/color][color=#000000]C[/color][color=#000000]…[/color][color=#000000]300[/color][color=#000000]°[/color][color=#000000]C[/color][color=#000000]）为[/color][color=#000000]5.44 X 10[sup]-6[/sup] 1/K[/color][color=#000000]，而文献数据为[/color][color=#000000]5.53 X 10[sup]-6[/sup] 1/K[/color][color=#000000]，两者只相差[/color][color=#000000]0.9 X 10[sup]-7[/sup] 1/K[/color][color=#000000]。[/color]

[color=#ff0000]摘要：针对目前隔热材料导热系数测试中存在的使用条件和测试条件不一致，以及隔热材料导热系数测试方法选择不合理的问题，本文对低密度隔热材料导热系数测试技术进行了分析，介绍了等效导热系数和导热系数基本概念，介绍了如何选择合理的测试方法，并用试验测试数据验证了不同测试方法所得的等效导热系数和导热系数之间的差异。[/color][align=center][color=#ff0000]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/align][size=18px][color=#ff0000]一、问题的提出[/color][/size]在高低温隔热防护领域中，经常会听到防热结构设计人员和隔热材料使用机构提出隔热材料无法满足使用要求的问题，经常会出现隔热性能样品测试结果与实际隔热考核试验效果相差巨大的现象。在隔热材料实际应用中，如果按照隔热材料导热系数测试结果进行设计，经常会出现防隔热系统根本无法达到隔热设计要求的现象。出现这种现象主要是由于以下几方面的原因：（1）隔热材料使用条件和测试条件出现严重偏离。（2）隔热材料导热系数测试方法选择不合理。为解决上述问题，本文将针对当前低密度隔热材料导热系数测试技术进行分析，介绍合理的测试方法选择，并用试验测试演示不同测试方法所得的等效导热系数和导热系数之间的差异。[size=18px][color=#ff0000]二、等效导热系数、导热系数及其测试方法分析[/color][/size]各种隔热材料在实际应用中，一般都会在材料的隔热厚度方向上形成较大温差，即隔热材料的一面面对高温热源或低温冷源，隔热材料另一面经隔热后的温度越接近于环境温度（如室温）越好。在高温防隔热系统中，这种温差往往有几百至上千度；在低温绝热系统中，这种温差也会有200~300℃左右（如液氮和液氦冷源）。另外在隔热过程中，隔热材料内部的传热形式主要有导热、辐射和对流三种传热形式，特别是对于低密度多孔隙的隔热材料，冷热面之间的温差越大，辐射和对流的作用越明显。因此，为了准确测试表征隔热材料的实际隔热性能，需要在隔热材料厚度方向上模拟出与实际应用接近的大温差后再进行测试，这种大温差条件下测试得到的导热系数包含了导热、辐射和对流三种传热形式的综合作用，这种包含了复杂综合传热效果的导热系数称之为等效导热系数（effective thermal conductivity），或表观导热系数（apparent thermal conductivity）。目前大多数隔热材料导热系数测试过程中，并未在隔热材料厚度方向上形成较大温差，一般是将温差控制在10~40℃范围内，此时获得的测试结果为导热系数（thermal conductivity），也称之为真导热系数（ture thermal conductivity），主要包括隔热材料内的固体材质和气体的导热系数之和，这种较小温差使得隔热材料内存在的辐射和对流热传递可以忽略不计。真导热系数的另外一个显著特点是与被测样品的厚度无关，即测试不同厚度的相同隔热材料样品应得到相同的真导热系数，此特点常用于考核导热系数测试仪器的准确性。由此可见，由于小温差测试中不包含辐射和对流传热，这使得测试相同隔热材料测试时，大温差下测试得到的等效导热系数数值往往会普遍大于小温差下测试得到的真导热系数。因此，如果用真导热系数来进行防隔热系统的设计，自然无法得到合理的隔热设计效果。总之，为了得到隔热材料的真实准确数据，隔热材料的导热系数测试条件必须尽可能的与实际隔热温差接近。依上所述，在隔热材料导热系数测试过程中，要根据隔热材料实际应用情况，导热系数测试设备要在被测样品厚度方向上建立相应的大温差或小温差，并在所建立的温差条件下进行测试。因此必须对测试方法和测试设备进行合理的选择，这样才能得到合理的隔热性能测试结果。以下为几种常用于低密度隔热材料导热系数表征的测试方法以及它们的相应温差条件说明。（1）稳态保护热板法：稳态保护热板法是目前导热系数测量精度最高的一种稳态测试方法，也是一种绝对测试方法，其典型标准为GB/T 10294和ASTM C177，测试温度范围可以覆盖-160℃~600℃。由于这种方法在被测样品厚度方向上只能形成20~30℃的小温差，所以测试得到的是真导热系数。保护热板法适合测试导热系数小于1W/mK的各种低导热防隔热材料，但对于超低导热系数（0.01W/mK）测试中，准稳态法的表现显着尤为突出，这主要是因为准稳态法具有从低温至高温的很宽泛测试温度范围，并能测试大温差下的等效导热系数，同时配套的校准技术相对简单，并具备多参数（导热系数、热扩散系数和比热容）测试能力和和更快的测试效率，另外准稳态法测试设备具有相对较低的造价。（2）对于具有超低导热系数（0.01W/mK）的绝热材料，其常温至低温下导热系数测试推荐采用蒸发量热计法，一方面是因为这种方法灵敏度和准确度都非常高，另一方面是可以测试大温差下的等效导热系数。[size=18px][color=#ff0000]三、等效导热系数和导热系数测试对比[/color][/size]为了更直观的说明和了解等效导热系数与导热系数之间的区别，我们分别对石墨毡隔热材料在高温和真空下分别采用不同稳态热流法法和稳态防护热板法进行了测试验证。样品：石墨毡，样品尺寸300mm×300mm×30mm，密度91.7kg/m3。测试环境：真空环境，真空度始终控制在100Pa左右。测试方法和设备：（1）稳态保护热板法（ASTM C177），测试设备为德国耐驰公司的GHP 456,如图1所示。样品热面最高温度为620℃，样品厚度方向上的温差为20℃。（2）稳态热流计法（ASTM C518），测试设备为上海依阳公司的TC-HFM-1000,如图2所示。样品热面最高温度为1000℃，冷面温度控制在50℃以上，最大温差980℃。[align=center][img=大温差下测试等效导热系数,500,333]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/05/202205171059034061_2954_3384_3.jpg!w690x460.jpg[/img][/align][align=center]图1 德国耐驰公司GHP 456导热测试设备[/align][align=center][/align][align=center][img=大温差下测试等效导热系数,500,388]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/05/202205171059379893_798_3384_3.jpg!w500x388.jpg[/img][/align][align=center]图2 上海依阳公司TC-HFM-1000导热测试设备[/align]采用热流计法和保护热板法得到的测试结果如表1所示，绘制成拟合曲线如图3所示。[align=center]表1 采用热流计法和保护热板法测试石墨毡导热系数结果[/align][align=center][img=大温差下测试等效导热系数,690,220]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/05/202205171059504021_3983_3384_3.png!w690x220.jpg[/img][/align][align=center][img=大温差下测试等效导热系数,690,421]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/05/202205171100113433_2123_3384_3.png!w690x421.jpg[/img]图3 石墨毡等效导热系数和导热系数测试结果对比图[/align]从上述测试结果可以明显看出，保护热板法在20℃小温差下测得的导热系数随温度变化基本呈线性关系。热流计法在大温差下测得的等效导热系数随温度变化呈曲线关系，并随着温差增大，导热系数快速增大，其中的热辐射传热效应非常明显。在500℃平均温度下，等效导热系数要比真导热系数增大了将近60%多。由此可见，如果在防隔热系统中采用的是导热系数而非等效导热系数进行设计，则会出现严重错误。[size=18px][color=#ff0000]四、总结[/color][/size]为了满足实际工程应用中对隔热材料的隔热性能准确测试表征，需特别注意以下内容：（1）根据隔热材料的设计和应用场景，选择合理的测试方法，相应测试方法和测试设备要求具备模拟隔热材料实际应用中高温下的大温差能力。（2）为同时实现大温差和尽可能高的测试温度，推荐的测试方法为热流计法和准稳态法。（3）对于超低导热系数绝热材料（如气凝胶类隔热材料）的测试，要仔细考量和解决热流计的校准问题和准稳态法中量热计的漏热问题。（4）稳态保护热板法是目前热流计校准唯一较准确的方法，为了实现对超低导热系数测试中更小热流的准确测量，势必要大幅度降低保护热板法校准设备的微小漏热问题，但此问题的解决难度大，现有技术基本已经达到了极限，从而造成目前所有超低导热系数测试普遍偏高的现象。因此迫切需要在新技术上有所突破，解决微小漏热难题，特别是在高灵敏度热流计和微小热流精密校准方面取得突破。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[color=#cc0000]摘要：本文针对锂离子电池材料导热系数测试方法，评论性概述了近些年的相关研究文献报道，研究分析了这些导热系数测试方法的特点，总结了电池材料导热系数测试技术所面临的挑战，从热分析仪器市场化角度提出了迎接这些挑战的技术途径。[/color][hr/][size=18px][color=#cc0000]1.问题的提出[/color][/size] 锂离子电池在各种应用中用于能量转换和存储，包括消费类电子产品、电动汽车、航空航天系统等。图1-1所示为典型的锂离子电池的结构，锂离子电池主要包括电极材料、电解质材料、隔膜材料、电池堆和热管理高导热相变复合材料。[align=center][img=锂离子电池结构示意图,500,375]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250623319094_6619_3384_3.jpg!w600x450.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图1-1 锂离子电池结构示意图[/color][/align] 导热系数作为电池材料的重要热物理性能参数之一，严重影响着锂离子电池的各种特性。而锂离子电池在使用过程中会面临着电、热、力和质的不同边界条件，这就使得准确测试电池材料导热系数面临着以下几方面的严峻挑战： （1）锂离子电池材料往往涉及含能和储能材料，在不同边界条件下，如在充放电过程中会伴随着生热甚至热解过程，在电池热管理系统中还涉及到相变材料，这就要求要在这些电化学和热化学过程中同时对导热系数进行测量，这要比以往纯热物理变化过程中的导热系数测试技术更为复杂。 （2）导热系数测试方法众多，但针对锂离子电池材料的复杂特征和要求，首先要需要找出合理的测试方法，以保证测量结果的准确性，这对锂离子电池材料和电池热管理尤为重要。 （3）由于锂离子电池材料导热系数测试所涉及的环境条件众多，会涉及众多不同的导热系数测试方法和设备。但在实际工程应用中，还是希望能对测试方法进行优化和开发测试新技术，从而实现用尽量少的测试方法和仪器设备尽可能多的满足各种各种锂离子电池材料的导热系数测试需求。 （4）由于锂离子电池材料还涉及其他热性能参数和表征参数，如比热容和热失控等，这样就要求导热系数测试方法和仪器能与其他热性能参数测试仪器进行集成，使得测试仪器具备多功能性，在一台测试仪器上可实现多个参数的测试。 本文将针对上述存在的问题和挑战，首先对近些年锂离子电池材料导热系数测试技术进行评论性综述，然后在分析研究的基础上，提出比较适合锂离子电池和材料导热系数测量的实用方法。[size=18px][color=#cc0000]2.电池材料导热系数测试方法综述[/color][/size] 在锂离子电池材料级别方面，主要涉及的材料有电极、电解质、隔膜、电极隔膜堆和热管理高导热相变复合材料。 在材料级别方面，已经报道了电极[1]-[4]、电解质[5]、隔膜[6][7]、电极堆[2][8]的导热系数和接触热阻[9][10]测量结果。 如图2-1所示，阴极样品厚度方向上导热系数已使用保护型热流计法（ASTM E1530）进行了测量[1][12]，阴极由等体积分数的聚合物电解质以及活性材料和乙炔黑的混合物制成。经测量，在25~150℃之间复合材料导热系数在0.2 ~ 0.5 W/mK范围内变化。由于阴极材料太薄，将多层阴极材料叠加后形成1~2mm厚的可测样品，样品直径为25.4mm，测试压力为10psi以减少多层叠加后带来的接触热阻。[align=center][img=保护型热流计法导系数测试示意图,500,419]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250624120593_5244_3384_3.jpg!w500x419.jpg[/img][/align][align=center]图2-1 保护型热流计法导热系数测试示意图[/align] 如图 2-2所示，展示了锂离子电池电极材料厚度方向导热系数测量装置结构[2]。[align=center][img=,600,428]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005252355511656_8624_3384_3.jpg!w600x428.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图2-2 锂离子电池材料厚度方向导热系数测量装置示意图[/color][/align] 装置采用了稳态薄加热片法[13]，单层材料面积为431mm2，厚度0.42mm，被测样品为多层叠加形式。还采用了闪光法测量多层锂离子电池薄层材料的热扩散系数，并通过叠层材料不同取样方向来测量得到不同方向的热扩散系数。 时域热反射（TDTR）技术已用于测量LiCoO2薄膜厚度方向导热系数[3]，样品厚度约500nm，测量了锂化程度对导热系数的影响。循环过程中原位测量LiCoO2阴极的导热系数表明，去锂化时，导热系数从5.4W/mK可逆地降低至4.7W/mK。 如图2-3所示，采用闪光法确定由各种粒径的合成石墨制成的负电极（NE）材料的导热系数[4][14]，样品尺寸为直径约15mm，厚度范围为1.1~9.5mm，实验在室温RT，150和200°C下进行。[align=center][img=激光闪法测量原理,500,467]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250625143698_6549_3384_3.jpg!w500x467.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图2-3 激光闪光法测量原理[/color][/align] 同样，聚合物电解质的导热系数采用图1-1所示保护型热流计法进行了测量[5]，测量样品厚度方向上的温差，该温差用于计算总热阻，从中可提取出样品厚度方向上的导热系数。通过刮刀技术制备聚合物电解质薄膜样品，并将其夹在导热仪顶板和底板之间，然后测量温度差。据报道，在25~150℃范围内，导热系数在0.12~0.22W/mK之间变化。 如图2-4所示，隔膜材料面内方向导热系数已使用直流加热法进行了测量[6]。在100级无尘室中从26650锂离子电池中提取隔膜样品，在隔膜样品上沉积了两条相距很小的细钛线，其中一条线用作加热器，而这两条线都用于温度测量，两条线的温度作为时间函数的超快测量用于确定隔膜样品的热性能[15]。室温下的面内方向导热系数为0.5W/mK，在50℃下测量时，这些值没有明显变化。[align=center][img=,500,308]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250625463285_8933_3384_3.jpg!w550x339.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图2-4 隔膜材料比热容和面内方向导热系数测试示意图[/color][/align] 正负电极薄膜材料和隔膜材料厚度方向和面内方向导热系数已使用不同的稳态方法进行了测量[7]，实验装置与先前使用的一维热流计法装置非常相似[1]。样品尺寸30mm×30mm，单层膜厚度在24~106um范围内，导热系数测量结果范围为0.19~31W/mK。 如图2-5所示，采用闪光法测量了多层阳极、隔膜和阴极构成的电极隔膜堆的厚度方向和面内方向热扩散系数[8]，采用差示扫描量热仪测量了比热容，由此得到电极隔膜堆厚度方向和面内方向的导热系数。另外对从新电池中取出的电极隔膜堆在45℃下循环500次，考察了高温循环对导热系数的影响。[align=center][img=闪光法厚度方向和面内方向测试示意图,690,400]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250626168406_2334_3384_3.jpg!w690x400.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图2-5 （a）闪光法测试厚度方向和面内方向电极隔膜堆热扩散系数示意图；（b）测试过程中样品的取样形式和摆放形式[/color][/align] 除了上述关于导热系数测量的报道外，还报道了采用恒定热流法（ASTM D5470）在不同压力和温度下测量了电极隔膜堆的接触热阻[9][16]。如图2-6所示，测试过程中将被测电极隔膜堆叠层夹在两个铜块之间，并测量了叠层的总热阻。电池隔膜堆包括了涂覆有石墨的铜阳极、涂覆有钴酸锂的铝阴极、聚乙烯/聚丙烯隔膜和电解质，测试温度范围-20~50℃，压力0~250psi。通过测试得出的主要结论包括：与干电池组相比，湿电池组的接触热阻更低，并且电极隔膜堆叠热阻的温度依赖性较弱。但是，此处测得的热阻是总热阻，其中还包括材料自身热阻，而不仅仅是电池不同材料之间的接触热阻。已经测量了使用的电极和铜棒之间的接触热阻，这与电池的原位操作没有特别的关系。[align=center][img=,550,442]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250626475813_5845_3384_3.jpg!w550x442.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图2-6 恒定热流法（ASTM D5470）测量电池材料接触热阻示意图[/color][/align] 如图2-7所示，在另一项工作中，同样采用恒定热流法（ASTM D5470）测量了阴极和隔膜之间的界面热传导[10]。测量结果表明，锂离子电池的热特性很大程度上取决于穿过阴极-隔膜界面的传热，而不是通过电池本身的传热。这种界面热阻约占电池总热阻的88%。[align=center][img=,500,267]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250627005929_1859_3384_3.jpg!w600x321.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图2-7 恒定热流法测量电池材料接触热阻示意图：（a）被测样品为电极隔膜堆；（b）纯隔膜样品；（c）纯阴极样品[/color][/align] 如图2-8所示，采用瞬态平面热源法测量了石墨烯填料的混合相变材料[11][17]，石蜡相变材料在添加石墨烯前后的导热系数分别为0.25W/mK和45W/mK。[align=center][img=,500,202]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250627216467_2507_3384_3.jpg!w600x243.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图2-8 瞬态平面热源法测试探头和测量原理图[/color][/align] 对于锂离子电池材料这类薄膜材料，其导热系数的测量还有一种非常有效的方法就是温度波法[18]。这种方法尽管已推出多年，但应用还是较少，但今后将是一种重要的有效方法。[size=18px][color=#cc0000]3.测试方法的特点[/color][/size] 从上述综述中可以看出，电池材料导热系数采用了以下几种测试方法： （1）稳态保护热流计法：ASTM E1530； （2）稳态护热板法：ASTM C177； （3）时域反射法； （4）闪光法：ASTM E1461； （5）稳态热流计法：ASTM C518； （6）恒定热流法：ASTM D5470； （7）瞬态平面热源法：ISO 22007-2。 （8）温度波法：ISO 22007-3。 从上述所涉及的多个测试方法可以看出，与传统材料导热系数测试不同，锂离子电池材料导热系数测试呈现出以下显著特点： （1）薄膜化：锂离子电池材料基本都呈现出薄膜化的形态，所涉及的则是典型的薄膜导热系数测试技术； （2）各向异性：薄膜化的锂离子电池材料呈现出比较明显的各向异性特征，导热系数在厚度方向和面内方向上表现出明显差别，锂离子电池材料导热系数测试实际上是一个各向异性薄膜材料导热系数测试问题； （3）测试变量多：锂离子电池材料导热系数测试的另一个显著特征是测试条件变量较多，除需在传统的不同温度下进行测试之外，还需要包括其他测试条件，如不同的加载压力、SOC荷电、气氛、振动、湿度等条件，甚至还需在通电状态下。[size=18px][color=#cc0000]4.电池材料导热系数测试方法分析[/color][/size] 根据上述锂离子电池材料导热系数测试的特点，对上述各种测试方法进行分析，以寻找出那些测试方法更能适合锂离子电池材料的测试。 纵观上述测试方法，我们将它们分为稳态法和瞬态法进行分析。[color=#cc0000]4.1. 稳态法[/color] 稳态法主要包括：保护热流计法、护热板法、热流计法和恒定热流法。 稳态法的显著特点就是依据经典的傅里叶稳态传热定律，在被测电池材料薄膜样品的测试方向上形成稳定的一维热流，通过测量不同条件下的温度和热流密度来测定相应的导热系数和接触热阻。 稳态法做为一种传统方法，是在较厚的块体材料热性能基础上发展起来的测试方法，对于较大尺寸和较厚块体样品的导热系数测试非常准确和成熟，如保护热流计法、护热板法、热流计法。为了进行电池薄膜材料测试，需要对薄膜材料进行多层叠加后制成样品才能满足稳态法测量准确性要求，这种多层叠加势必会带来接触热阻的严重影响。鉴于传统稳态法对薄膜材料导热系数测试的局限性，开发的恒定热流法则部分解决了测试问题，通过独特的表面温度测试技术，可以进行百微米厚度量级的薄膜导热系数测量，非常适合测试多层膜构成的电池堆以及高导热相变复合材料。 尽管做了相应的改进，但这种在稳态法上做的任何努力都是在挖掘稳态法的潜力，是对稳态法测试能力区间的下限进行进一步的拓展，测试能力下限毕竟还是非常有限，受到了稳态法自身的制约，特别是受到表面温度和厚度测量准确性的制约，使得这种扩展空间十分有限且效果很难保证。总之，对于锂离子电池材料，暂时比较适合的稳态法是ASTM D5470恒定热流法，可以进行导热系数和热阻测量，样品尺寸适中并比较适合加载各种边界条件。[color=#cc0000]4.2. 瞬态法[/color] 瞬态法主要包括时域反射法、闪光法和瞬态平面热源法。 与稳态法恰恰相反，瞬态法是基于样品材料对热激励动态响应的一种测试方法，被测样品越薄，对热激励的响应越快，所以瞬态法的核心是检测物理量随时间变化快慢的问题。同时，在被测样品对热激励的快速响应过程中，周围环境和其他边界条件的影响反而变得很小。最主要的是，随着技术的发展，块体样品（特别是薄膜材料）对热激励的动态响应时间，在当前的电子检测技术面前都不再属于快速测量范畴，采用目前的各种电子技术手段很容易对热激励响应进行快速和准确测量。从另一方面理解，就是针对材料的热性能测试，瞬态法可以针对不同被测样品厚度范围（响应时间）采用相应响应频率范围的电子仪器和设备来实现准确测量，而目前电子仪器设备的测试能力要远远超过薄膜材料热性能测试的需求。这就是瞬态法自身的最大优势，同时也是目前市场上薄膜材料热性能测试仪器大多采用瞬态法的主要原因。 总之，瞬态法作为非接触是测量方法非常适用于致密性薄膜材料，适合测量非常薄的样品，但对于锂离子电池材料这类较低密度的薄膜材料则会遇到许多测试难题，多孔性的薄膜材料样品需要进行表面处理才能进行导热系数测量，但表面处理往往会带来渗透而改变薄膜样品的热性能。另外，瞬态法的另一个明显不足是很难在被测样品上加载各种相应的边界条件进行导热系数测量，如压力和通电等。但瞬态法中的温度波法则是一个例外，这将在下节中进行介绍。[size=18px][color=#cc0000]5.未来设想：新方法的提出[/color][/size] 从上述对电池材料导热系数测试方法的分析中可以看出，现有方法都不能很好的解决本文开始提到的锂离子电池材料导热系数测试所面临的问题，需要研究和开发新型测试方法才能应对相应的技术挑战。 通过我们的研究，我们认为将上述稳态法和瞬态法相结合的方法将会是一种有效的技术途径，具体的结合形式就是改进型的瞬态温度波法。 ISO 22007-3规定的温度波测试方法[18]，主要用于确定薄膜和塑料板在整个厚度方向上的热扩散系数。温度波法是一种通过测量样品前后表面之间温度波的相移来测量薄而扁平样品厚度方向热扩散系数的方法。使用在样品两个表面上溅射或接触的电阻器，一个作为加热器，通过交流焦耳加热产生温度波，另一个作为温度计来检测温度波。ISO 22007-3中给出了温度波法测量装置示意图，如图5-1所示。[align=center][img=温度波法热扩散系数测量装置示意图,690,473]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250627416770_5455_3384_3.jpg!w690x473.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图5-1 温度波法热扩散系数测量装置示意图[/color][/align] 从上述描述中可以看出，温度波法测量装置包括彼此面对的微加热器和温度传感器，样品安装在它们之间。向加热器提供弱的正弦电功率信号，在样品表面上产生温度波。温度传感器是一种高灵敏度电阻传感器，它使用前置放大器在将弱信号进入锁相放大器之前对其进行放大。观察到的温度信号是激发温度波和背景温度信号的混合，例如环境的温度。在交流测量中，锁定放大的一个优点是能够提取和分析信号中仅一个指定频率分量的变化，抵消室温变化的影响（误差的主要来源）以及噪声成分实现高灵敏度测量。通过将实际施加的温度波幅度限制在1℃以内或更低，可以有效地抑制对流和辐射，并确保几乎不损坏样品。此外，如果采用极小的传感器尺寸则可识别更小样品区域内的热扩散系数。 总之，采用改进后的温度波法，将具备以下几方面的显著特点： （1）在样品的夹持、厚度控制和测量方面，温度波法与稳态法基本相同，可以在测量过程中对样品加载一定的压力和其他测试条件。同时，温度波法还具备了非接触瞬态法的优点，将温度和热流测量转换为高精度的频率和相位测量，减少了误差，可以实现高灵敏的测量。 （2）尽管ISO 22007-3规定的温度波测试方法是用于测量薄膜材料厚度方向的热扩散系数，但这种方法也可以用于薄膜面内方向上的热扩散系数测量，转换后的测试方法就是经典的Angstrom周期热波法[19]。 （3）从图5-1所示的温度波测量原理可以看出，只要将交流加热形式控制为直流形式，温度波法就变成了传统的热流计法，就可以用于板材样品测量，也就是说可以进行各种规格尺寸袋装和片状锂离子电池热扩散系数和导热系数的测量。 （4）更重要的特点是，改进的温度波法结构小巧，可以与其他热性能测试方法进行集成，这方面的内容将在后续报告中进行介绍。 综上所述，我们选择并开展改进型的温度波法研究，基本可以解决本文前面所提出的锂离子电池材料测试中所面临的几方面难题，同时还兼顾了测试仪器的微型化、集成化和低成本，这将是我们今后热分析仪器发展的一个方向。[size=18px][color=#cc0000]6.参考文献[/color][/size][1] Song, L., and Evans, J. 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Soc., 144(11), pp. 3797–3800.[6] Vishwakarma, V., and Jain, A., 2014, “Measurement of In-Plane Thermal Conductivity and Heat Capacity of Separator in Li-Ion Cells Using a Transient DC Heating Method,” J. Power Sources, 272, pp. 378–385.[7] Yang, Y., Huang, X., Cao, Z., and Chen, G., 2016, “Thermally Conductive Separator With Hierarchical Nano/Microstructures for Improving Thermal Management of Batteries,” Nano Energy, 22, pp. 301–309.[8] Maleki, H., Wang, H., Porter, W., and Hallmark, J., 2014, “Li-Ion Polymer Cells Thermal Property Changes as a Function of Cycle-Life,” J. Power Sources, 263, pp. 223–230.[9] Ponnappan, R., and Ravigururajan, T. S., 2004, “Contact Thermal Resistance of Li-Ion Cell Electrode Stack,” J. Power Sources, 129(1), pp. 7–13.[10] Vishwakarma, V., Waghela, C., Wei, Z., Prasher, R., Nagpure, S. C., Li, J., Liu, F., Daniel, C., and Jain, A., 2015, “Heat Transfer Enhancement in a Lithium-Ion Cell Through Improved Material-Level Thermal Transport,” J. Power Sources, 300, pp. 123–131.[11] Goli, P., Legedza, S., Dhar, A., Salgado, R., Renteria, J., and Balandin, A. A., 2014, “Graphene-Enhanced Hybrid Phase Change Materials for Thermal Management of Li-Ion Batteries,” J. Power Sources, 248, pp. 37–43.[12] ASTM E1530 Standard Test Method for Evaluating the Resistance to Thermal Transmission by the Guarded Heat Flow Meter Technique[13] ASTM C177 Standard Test Method for Steady-State Heat Flux Measurements and Thermal Transmission Properties by Means of the Guarded-Hot-Plate Apparatus[14] ASTM E1461-13 Standard Test Method for Thermal Diffusivity by the Flash Method[15] ASTM C518 Standard Test Method for Steady-State Thermal Transmission Properties by Means of the Heat Flow Meter Apparatus[16] ASTM D5470 Standard Test Method for Thermal Transmission Properties of Thermally Conductive Electrical Insulation Materials[17] ISO 22007-2 Plastics — Determination of thermal conductivity and thermal diffusivity — Part 2: Transient plane heat ource (hot disc) method[18] ISO 22007-3, Plastics – Determination of thermal conductivity and thermal diffusivity – Part 3: Temperature wave analysis method.[19] A. J. Angstrom, Ann. Physik Leipzig 114, 513 (1861).[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]