導熱系數的定義與重要性

導熱系數是衡量材料熱傳導能力的關鍵參數，屬于材料熱物性的重要指標。它在工程、建筑、電子等諸多領域都有著廣泛的應用。

從定義來看，導熱系數表征了在穩定傳熱條件下，單位時間內通過單位厚度、單位面積的材料，且兩側溫差為 1 攝氏度時的熱量傳遞量。其單位為瓦每米度（W/(m·K)），在實際應用中，攝氏度和開爾文溫差可互換使用，因為它們的溫差單位是等價的。準確測量導熱系數對于材料的性能評估、產品設計以及優化熱管理系統等都有著至關重要的意義。

導熱系數測定方法的分類

1.穩態法

穩態法是傳統的導熱系數測定方法，其核心原理是基于傅里葉一維穩態熱傳導定律。

在穩態傳熱過程中，當傳熱速率與散熱速率達到平衡時，通過測量試樣的熱流密度、兩側溫差以及厚度，即可計算出導熱系數。這種方法的優點是原理簡單、精確度高，但測量時間相對較長，且對環境條件要求較為苛刻，通常需要在較為穩定的溫度和氣流環境中進行測量。

穩態法適用于中等溫度范圍內的低導熱系數材料，如巖土、塑料、橡膠、玻璃以及絕熱保溫材料等。

2.瞬態法（非穩態法）

瞬態法則是近年來發展起來的一種導熱系數測量方法。與穩態法不同，瞬態法不需要達到傳熱平衡狀態，而是通過提供一個固定功率的熱源，記錄樣品溫度隨時間的變化情況，進而求得樣品的熱傳導系數、熱擴散系數和熱容。

瞬態法具有測量速度快、測量范圍寬（最高可達 2000℃）、樣品制備簡單等優點。它特別適合于測量高導熱系數材料或在高溫條件下的測量，如金屬、石墨烯、合金、陶瓷、粉末、纖維等同質均勻的材料。

穩態法的具體方法

1.熱流法

熱流法是一種比較法，通過校正過的熱流傳感器測量通過樣品的熱流，從而得到導熱系數的絕對值。

測量時，將厚度均勻的樣品插入兩個平板之間，并設置一定的溫度梯度。利用校正過的熱流傳感器測量通過樣品的熱流，同時測量樣品的厚度、上下板間的溫度梯度，即可計算出試樣的導熱系數。熱流法在測量低導熱系數材料時具有較高的精度，但對樣品的厚度均勻性和溫度梯度的穩定性要求較高。

2.保護熱流法

保護熱流法是在普通熱流法的基礎上發展而來的，主要用于測量較大尺寸或需要較高量程的樣品。其測試原理與普通熱流法基本相同，但測量單元被保護加熱器所包圍，從而擴大了測試溫度范圍和導熱系數范圍。這種方法在測量一些大型建筑材料或工業保溫材料時具有獨特的優勢，能夠更準確地反映材料在實際使用條件下的導熱性能。

3.保護熱板法

保護熱板法的工作原理與使用熱板與冷板的熱流法相似，但熱源位于同一材料的兩塊樣品中間。通過精確設定輸入到熱板上的能量，并調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。

這種方法的優點是溫度范圍更廣（-180℃至 650℃），量程更廣（最高 2W/m·K），且無需對測量單元進行標定，屬于絕對法測量，因此在測量精度和可靠性方面具有較高的優勢。

瞬態法的具體方法

1.熱線法

熱線法是一種應用較為廣泛的方法，通過在樣品中插入一根熱線，測試時在熱線上施加一個恒定的加熱功率，使其溫度上升。然后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系。由于被測材料的導熱性能決定了這種溫度變化關系，因此可以通過分析該關系得到材料的導熱系數。

熱線法的優點是測量時間短，對樣品尺寸要求不太嚴格，產品價格相對便宜。但其缺點是分析誤差相對較大，一般為 5%~10%，因此在需要高精度測量的場合需要謹慎使用。

2.激光閃射法

激光閃射法，又稱為激光擴散法或閃光擴散法，是一種先進的導熱系數測量方法。

在測量過程中，樣品首先被加熱到所需的測試溫度，然后由激光器產生的一束短促激光脈沖對樣品的前表面進行加熱。熱量在樣品中擴散，使樣品背部的溫度上升。通過紅外探測器測量溫度隨時間上升的關系，并結合樣品本身的比熱和密度等參數來計算材料的導熱性能。

激光閃射法的特點是所需樣品尺寸小，樣品形狀和材質不受限制，同時可以測量熱擴散速率等參數。但其重復性和準確性相對較差，人為因素影響較為明顯。

此外，激光閃射法測得的是材料的熱擴散系數，還需要知道試樣的比熱和密度，才能通過計算得到導熱系數。在測量高溫下的導熱系數時，還需要膨脹系數的數值。這種方法主要適用于各向同性、均質、不透光的材料。

3.瞬變平面熱源法

瞬變平面熱源法是在試件上貼上探頭，通過多元函數對試樣表面溫度的響應進行擬合后計算出材料的導熱系數。

其原理是基于無限大介質中階躍加熱的圓盤形熱源產生的瞬態溫度響應。利用熱阻性材料做成一個平面的探頭，同時作為熱源和溫度傳感器。在測試過程中，探頭被放置于中間進行測試。電流通過時，產生一定的溫度上升，產生的熱量同時向探頭兩側的樣品進行擴散，熱擴散的速度依賴于材料的熱傳導特性。通過記錄溫度與探頭的響應關系，由數學模型可以直接得到導熱系數和熱擴散率。

瞬變平面熱源法的優點是測試方法簡單，測試速度快，符合相關標準，但其精確度不一定很高，因此在對測量精度要求極高的場合需要結合其他方法進行驗證。

結論

隨著科技的不斷進步，導熱高分子材料等新型材料的市場需求日益增長，導熱系數作為材料熱性能的關鍵指標，其精確測量對于材料的應用和產品研發具有極其重要的意義。目前，雖然有多種導熱系數測量方法可供選擇，但每種方法都有其適用范圍和局限性。在實際測量中，必須根據材料的導熱系數大致范圍、使用溫度范圍以及對測量精度的要求等因素，選擇合適的測量方法。