导热系数的测量技术：方法、原理与应用

导热系数的定义与重要性

导热系数是衡量材料热传导能力的关键参数，属于材料热物性的重要指标。它在工程、建筑、电子等诸多领域都有着广泛的应用。

从定义来看，导热系数表征了在稳定传热条件下，单位时间内通过单位厚度、单位面积的材料，且两侧温差为 1 摄氏度时的热量传递量。其单位为瓦每米度（W/(m·K)），在实际应用中，摄氏度和开尔文温差可互换使用，因为它们的温差单位是等价的。准确测量导热系数对于材料的性能评估、产品设计以及优化热管理系统等都有着至关重要的意义。

导热系数测定方法的分类

1.稳态法

稳态法是传统的导热系数测定方法，其核心原理是基于傅里叶一维稳态热传导定律。

在稳态传热过程中，当传热速率与散热速率达到平衡时，通过测量试样的热流密度、两侧温差以及厚度，即可计算出导热系数。这种方法的优点是原理简单、精确度高，但测量时间相对较长，且对环境条件要求较为苛刻，通常需要在较为稳定的温度和气流环境中进行测量。

稳态法适用于中等温度范围内的低导热系数材料，如岩土、塑料、橡胶、玻璃以及绝热保温材料等。

2.瞬态法（非稳态法）

瞬态法则是近年来发展起来的一种导热系数测量方法。与稳态法不同，瞬态法不需要达到传热平衡状态，而是通过提供一个固定功率的热源，记录样品温度随时间的变化情况，进而求得样品的热传导系数、热扩散系数和热容。

瞬态法具有测量速度快、测量范围宽（最高可达 2000℃）、样品制备简单等优点。它特别适合于测量高导热系数材料或在高温条件下的测量，如金属、石墨烯、合金、陶瓷、粉末、纤维等同质均匀的材料。

稳态法的具体方法

1.热流法

热流法是一种比较法，通过校正过的热流传感器测量通过样品的热流，从而得到导热系数的绝对值。

测量时，将厚度均匀的样品插入两个平板之间，并设置一定的温度梯度。利用校正过的热流传感器测量通过样品的热流，同时测量样品的厚度、上下板间的温度梯度，即可计算出试样的导热系数。热流法在测量低导热系数材料时具有较高的精度，但对样品的厚度均匀性和温度梯度的稳定性要求较高。

2.保护热流法

保护热流法是在普通热流法的基础上发展而来的，主要用于测量较大尺寸或需要较高量程的样品。其测试原理与普通热流法基本相同，但测量单元被保护加热器所包围，从而扩大了测试温度范围和导热系数范围。这种方法在测量一些大型建筑材料或工业保温材料时具有独特的优势，能够更准确地反映材料在实际使用条件下的导热性能。

3.保护热板法

保护热板法的工作原理与使用热板与冷板的热流法相似，但热源位于同一材料的两块样品中间。通过精确设定输入到热板上的能量，并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。

这种方法的优点是温度范围更广（-180℃至 650℃），量程更广（最高 2W/m·K），且无需对测量单元进行标定，属于绝对法测量，因此在测量精度和可靠性方面具有较高的优势。

瞬态法的具体方法

1.热线法

热线法是一种应用较为广泛的方法，通过在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。然后测量热线本身或平行于热线的一定距离上的温度随时间上升的关系。由于被测材料的导热性能决定了这种温度变化关系，因此可以通过分析该关系得到材料的导热系数。

热线法的优点是测量时间短，对样品尺寸要求不太严格，产品价格相对便宜。但其缺点是分析误差相对较大，一般为 5%~10%，因此在需要高精度测量的场合需要谨慎使用。

2.激光闪射法

激光闪射法，又称为激光扩散法或闪光扩散法，是一种先进的导热系数测量方法。

在测量过程中，样品首先被加热到所需的测试温度，然后由激光器产生的一束短促激光脉冲对样品的前表面进行加热。热量在样品中扩散，使样品背部的温度上升。通过红外探测器测量温度随时间上升的关系，并结合样品本身的比热和密度等参数来计算材料的导热性能。

激光闪射法的特点是所需样品尺寸小，样品形状和材质不受限制，同时可以测量热扩散速率等参数。但其重复性和准确性相对较差，人为因素影响较为明显。

此外，激光闪射法测得的是材料的热扩散系数，还需要知道试样的比热和密度，才能通过计算得到导热系数。在测量高温下的导热系数时，还需要膨胀系数的数值。这种方法主要适用于各向同性、均质、不透光的材料。

3.瞬变平面热源法

瞬变平面热源法是在试件上贴上探头，通过多元函数对试样表面温度的响应进行拟合后计算出材料的导热系数。

其原理是基于无限大介质中阶跃加热的圆盘形热源产生的瞬态温度响应。利用热阻性材料做成一个平面的探头，同时作为热源和温度传感器。在测试过程中，探头被放置于中间进行测试。电流通过时，产生一定的温度上升，产生的热量同时向探头两侧的样品进行扩散，热扩散的速度依赖于材料的热传导特性。通过记录温度与探头的响应关系，由数学模型可以直接得到导热系数和热扩散率。

瞬变平面热源法的优点是测试方法简单，测试速度快，符合相关标准，但其精确度不一定很高，因此在对测量精度要求极高的场合需要结合其他方法进行验证。

结论

随着科技的不断进步，导热高分子材料等新型材料的市场需求日益增长，导热系数作为材料热性能的关键指标，其精确测量对于材料的应用和产品研发具有极其重要的意义。目前，虽然有多种导热系数测量方法可供选择，但每种方法都有其适用范围和局限性。在实际测量中，必须根据材料的导热系数大致范围、使用温度范围以及对测量精度的要求等因素，选择合适的测量方法。