导热仪导热系数的影响因素

本文采用导热仪对蒸馏水、Pyrex耐热玻璃、耐高温陶瓷、LAF6720泡沫4种标准件的导热系数进行了测试研究，根据测试结果分析了影响TCI导热仪测试精度的因素。

导热系数是材料热物性的重要指标，准确快速测量材料导热系数是各行业关心的焦点。目前常见的商业测量仪其测量原理通常为稳态法或瞬态法。稳态法测量原理是利用待测材料稳定传热达到热平衡后，根据材料单位面积的热流密度和温度梯度，直接计算得出材料的导热系数，常用于低导热系数材料的测量，常见的测量方法包括热流计法、保护热板法、圆管法等。

稳态法测量过程中达到稳态所需的时间较长，而长时间的加热对材料的物理状态可能会产生影响，这使得其应用受到一定的限制。瞬态法测量原理是根据待测材料的温度响应情况计算得到导热系数，测量材料热物性的范围较广，测试时间短、精度较高，常见的测量方法包括热线法、热带法和瞬态平面热源法等。

热线法及探针法主要用来测量松散介质导热系数，不适合测量大块固体和液体介质。

热带法是基于热线法发展起来的测试方法，其原理与热线法基本相同，只是将线热源压扁成带状从而扩大热源和介质的接触面积，减少接触热阻。

瞬态平面热源法在热带法和热线法的基础上，将原本拉直的热源弯曲成螺旋状，形成平面板热源，在更小的空间内获得更大的接触面，并且采用新的数学模型来描述热传输过程。

目前，瞬态平面热源法在测试过程中需要将传热探头夹在两块同质的待测材料中间，形成类似三明治的夹芯结构，探头通电发热后向两侧材料进行传热，两侧材料不同的热物性决定传感器探头的温升特性，通过对探头温升情况计算得到待测材料的导热系数。

但是，此种夹层结构不能对无法制成双试样的特殊材料进行测定，如墙体、已装配的部件和稀有材料等。导热仪是基于改进的瞬态平面热源法测试材料的导热系数，可对材料导热系数进行单面快速测试，弥补了传统瞬态平面热源法不能进行单面测试的不足。

1.导热仪测试原理

导热仪改进后的探头由传感器芯片、隔热层和外壳3部分组成。传感器芯片由加热线圈、氧化铝和一层封接玻璃组成，既作温度传感器又可作为加热源；隔热层使线圈大部分的热量沿一维方向传导进入待测样品，只有少部分热量传输到隔热层。

加热元件的电阻与温度呈反比关系，其温度可通过电压变化计算得出。当给定芯片一个恒定电流后，芯片自身的温升速率与待测材料导热系数相关，即可通过测量传感器芯片的电压变化得出待测材料的导热系数。

2.测试导热系数的影响因素分析

导热仪适用固体、液体、粉末及胶体的快速、准确、非破坏性测试，本文采用导热仪对蒸馏水、Pyrex耐热玻璃、耐高温陶瓷、LAF6720泡沫4种具有代表性的材料进行了导热系数测试实验研究，对可能影响该导热仪测试精度的校准方式、接触热阻和测试时间3个影响因素分别进行了分析，并提出了针对性的建议。

2.1校准方式对材料导热系数测试的影响分析

校准方式表示该导热仪在导热系数和蓄热系数的计算过程中所采取的参数和加热功率等级。由于材料的导热系数和蓄热系数的范围很广，需要对它们加以分类，对于不同种类的材料选择不同的校准方式，否则测量得出的结果可能无效。

2.2接触热阻对材料导热系数测试的影响分析

导热仪测试过程中探头与材料的接触热阻可能会对测试结果有很大的影响，需要一定的触媒介质来减小接触热阻。测试液体材料时，导热仪探头与流体材料之间有很好的接触，不需要触媒介质测试固体材料(除泡沫材料外)时则必须引入触媒介质。

由于水导热系数较高，约0.6W/(m·K)，且水比较常见、易清洗，所以常用水作为触媒介质。水作为触媒介质可在5～70℃的环境下使用，在低于5℃或高于70℃的环境下可选择乙二醇或特制油脂等其他介质。

2.3测试时间对材料导热系数测试的影响分析

导热仪可对待测材料的导热系数进行快速准确测试，完成diyi个测试周期只需62s；其中，前2s为获取温度响应和计算时间，后60s为冷却到初始状态的时间，然后开始第2个周期的测试。但有时发现随着测试时间的推移，测试结果会发生变化。

3.结束语

本文采用导热仪对蒸馏水、Pyrex耐热玻璃、耐高温陶瓷、LAF6720泡沫4种材料的导热系数进行了实验研究，对影响其测试精度的因素进行了分析，结果表明：

(1)进行材料导热系数测试时须选择合适的校准方式，否则会出现黄色或红色警报；当待测材料导热系数处于两种校准方式的导热系数校准范围临界值或交集时，会出现选择两种校准方式都不报警且均可获得测试数据的情况，但必须选择两者中正确的校准方式才可获得准确数据。

(2)进行固体材料导热系数测试时，探头和待测材料之间需要添加触媒介质，否则会严重影响材料导热系数的测试结果。

(3)添加触媒介质进行固体材料导热系数测试时，长时间连续的测试会导致触媒介质的蒸发，进而影响测试结果的准确性；所以，对于需要添加触媒介质的固体材料导热系数测试时，建议连续测试时间不要超过20min。