稳态导热测量方法.pdf

采用实验方法确定材料导热系数的方法主要分为两大类:稳态法和非稳态法

1稳态法:

试件内的温度分布是不随时间而变化的稳态温度场，当试样达到热平衡后，借助测量试样单位面积的热流速率和温度梯度，就可以直接测定试件的导热系数。

基于傅立叶导热定律描述的稳态条件进行测量的方法主要适用于在中等温度下测量中低导热系数的材料，这些方法包括：热板法、保护热板法、热流法、保护热流法、沸腾换热法等。

各种不同的导热系数测试方法都有其自身的优点、局限性、应用范围和方法本身所带来的不准确性。

稳态测量法具有原理清晰，可准确、直接地获得热导率绝对值等优点，并适于较宽温区的测量，缺点是比较原始、测定时间较长和对环境（如测量系统的绝热条件、测量过程中的温度控制以及样品的形状尺寸等）要求苛刻。常用于低导热系数材料的测量，其原理是利用稳定传热过程中，传热速率等于散热速率的平衡条件来测得导热系数。

1.1热流法

热流计法是一种基于一维稳态导热原理的比较法。如图1所示，将厚度一定的方形样品插入两个平板间，在其垂直方向通入一个恒定的单向的热流，使用校正过的热流传感器测量通过样品的热流，传感器在平板与样品之间和样品接触。当冷板和热板的温度稳定后，测得样品厚度、样品上下表面的温度和通过样品的热流量，根据傅立叶定律即可确定样品的导热系数：

图1

该法适用于导热系数较小的固体材料、纤维材料和多空隙材料，例如各种保温材料。在测试过程中存在横向热损失，会影响一维稳态导热模型的建立，扩大测定误差。

优点：易于操作，测量速度快。缺点，适用温度和测量范围有限。

1.2保护热板法

保护热板法的工作原理和使用热板与冷板的热流法导热仪相似。对于较大的、需要较高量程的样品，可以使用保护热流计法测定，该法原理与热流计法相似，不同之处是用在周围包上绝热材料和保护层（也可以用辅助加热器替代），从而保证了样品测试区域的一维热流，提高了测量精度和测试范围。但是该法需要对测定单元进行标定。

适用于干燥材料，一般采用双试件保护平板结构，在热板上下两侧各对称放置相同的样品和冷板一块，如图2所示，

图2

试件周围包有保护层，主加热板周围环有辅助加热板，使辅助加热板与主加热板温度相同，以保证一维导热状态。当达到一维稳态导热状态时，根据傅立叶定律可得：

在已知样品尺寸、主加热板加热功率后，利用热电偶测得两样品上下表面的温度，由上式即可求得材料在T m温度时的导热系数。

优点：该法可用于温度范围更大、量程较广的场合，误差较小且可用于测定低温导热系数。缺点：稳定时间较长，不能测定自然含水率下的导热系数。需先对样品进行干燥处理。样品厚度对结果精度有较大影响。在用该法对不良导体的导热系数测定时，发现试样厚度对导热系数有很大影响，不宜采用厚度较小的不良导体平板作为实验样品。同时，试样侧面的绝热条件对结果的误差也有很大影响。

1.3圆管法

圆管法是根据长圆筒壁一维稳态导热原理直接测定单层或多层圆管绝热结构导热系数的一种方法。要求被测材料应该可以卷曲成管状，并能包裹于加热圆管外侧，由于该方法的原理是基于一维稳态导热模型，故在测试过程中应尽可能在试样中维持一维稳态温度场以确保能获得准确的导热系数。为了减少由于端部热损失产生的非一维效应根据圆管法的

要求，常用的圆管式导热仪大多采用辅助加热器，即在测试段两端设置辅助加热器，使辅助加热器与主加热器的温度保持一致，以保证在允许的范围内轴向温度梯度相对于径向温度梯度的大小，从而使测量段具有良好的一维温度场特性。其结构如图所示。

根据傅立叶定律，在一维、径向、稳态导热的条件下，管状材料的导热系数可由下式得出：

在实验中，测定应在传热过程达到稳态时进行，同时加热圆管的功率要保持恒定，试样内外表面的温度可由热电偶测出。另外，为保证热流在被测材料中的单向性，试样外表面温度应该控制在环境温度以下。

优点：通过实验对保护热板法和圆管法进行比较后，发现对于相同材料，圆管法测得的导热系数要大于保护热板法，且当绝热材料用于管道上时，圆管法更好地反映了其结构导热系数。

缺点：由于普通圆管法需要安装自控装置来调控辅助加热器的功率，使得实际测试过程时间较长，设备成本较高。