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德国耐驰仪器制造有限公司 热分析应用文集 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）： △T Q − λ · △x 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 NETZSCH Gerätebau GmbH 德国耐驰仪器制造有限公司 热分析应用文集 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2 NETZSCH 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