导热系数和热扩散系数测定仪-激光闪光法
仪器组成
包括带有试样架和测温装置炉体(加热炉和气候室),闪光源,脉冲检测器,以及控制、数据采集和分析系统。
目录
导热系数傅立叶定律
根据傅立叶定律，热导率的定义式为
其中，x为热流方向。
对于各向同性的材料来说，各个方向上的热导率是相同的。[3]
导热系数影响因素
不同物质导热系数各不相同；相同物质的导热系数与其的结构、密度、湿度、温度、压力等因素有关。同一物质的含水率低、温度较低时，导热系数较小。一般来说，固体的热导率比液体的大，而液体的又要比气体的大。这种差异很大程度上是由于这两种状态分子间距不同所导致。工程计算上用的系数值都是由专门试验测定出来的。
随着温度的升高或含湿量的增大，所测5种典型建筑材料的导热系数都呈增大的趋势。下面从微观机理上对此加以分析。对多孔材料而言，当其受潮后，液态水会替代微孔中原有的空气；而在常温常压下，液态水的导热系数（约为0.59W/（m·K））远大于空气的导热系数（约为0.026W/（m·K）），因此，含湿材料的导热系数会大于干燥材料的导热系数，且含湿量越高，导热系数也越大。若在低温下水分凝结成冰，由于冰的导热系数高达2.2W/（m·K）），因此材料整体的导热系数也将增大。
与受潮带来的影响不同，温度升高会引起分子热运动的加快，促进固体骨架的导热及孔隙内流体的对流传热。此外，孔壁之间的辐射换热也会因为温度的升高而加强。若材料含湿，则温度梯度还可能造成重要影响：温度梯度将形成蒸汽压梯度，使水蒸气从高温侧向低温侧迁移；在特定条件下，水蒸气可能在低温侧发生冷凝，形成的液态水又将在毛细压力的驱动下从低温侧向高温侧迁移。如此循环往复，类似于热管的强化换热作用，使材料表现出来的导热系数明显增大。[2]
导热系数研究方法
通常，物质的导热系数可以通过理论和实验两种方式来获得。
理论上，从物质微观结构出发，以量子力学和统计力学为基础，通过研究物质的导热机理，建立导热的物理模型，经过复杂的数学分析和计算可以获得导热系数。但由于理论的适用性受到限制，而且随着新材料的快速增多，人们迄今仍尚未找到足够精确且适用于范围广泛的理论方程，因此对于导热系数实验测试方法和技术的探索，仍是物质导热系数数据的主要来源。[3]
导热系数的测试分为动态法和稳态法，稳态法又分为热流计法和防护热板法。考虑到仪器精度以及控温范围，参照GB/T10294-2008标准，采用防护热板法进行测试。
实验仪器如图1所示，包括主体、冷热源控制系统和智能测量仪3部分。
图1
主体由热板、冷板和试件夹紧系统组成。热板包括主加热板、护加热板以及背护加热板3个主要部分。主加热板和护加热板由电阻加热器及智能测量仪控温，背护加热板由精密恒温水槽控温，使3块加热板的温度保持一致。冷板由铝板、半导体制冷体和冷却水套组成，可精确控制冷板温度在设定值。智能测量仪用于整个测试系统的温度测量及控制，以实现全自动的测试。
每种材料各制备3~6个尺寸为30cm×30cm×3~5cm的试件，在不同温度和含湿量下对导热系数进行12~35次测试。测试前先将试件培养至不同的含湿量，然后将试件的各面用4层塑料薄膜包裹起来。薄膜的水蒸气渗透阻Sd > 1.5m，可视为不透气。其厚度和热阻分别为0.0225mm和0.000537m2K/W，均可以忽略。[2]
导热系数材料热导率
导热系数固体
固体是由自由电子和原子组成的，原子又被约束在规律排列的晶格中。相应的，热能的传输是由两种作用实现的：自由电子的迁移和晶格的振动波。当视为准粒子现象时，晶格振动子称为声子。纯金属中，电子对导热贡献，而在非导体中，声子的贡献起主要作用。[3]
常用的固体导热系数见表1。纯金属的导热系数一般随温度升高而降低。而金属的纯度对导热系数影响很大，如含碳为1%的普通碳钢的导热系数为45W/m ·K ，不锈钢的导热系数仅为16 W/m ·K 。
表1 常用固体材料的导热系数
固体 | 温度，℃ | 导热系数λ，W/m·K |
铝 | 300 | 230 |
镉 | 18 | 94 |
铜 | 100 | 377 |
熟铁 | 18 | 61 |
铸铁 | 53 | 48 |
铅 | 100 | 33 |
镍 | 100 | 57 |
银 | 100 | 412 |
钢(1%C) | 18 | 45 |
船舶用金属 | 30 | 113 |
青铜 | 189 | |
不锈钢 | 20 | 16 |
石墨 | 0 | 151 |
石棉板 | 50 | 0.17 |
石棉 | 0~100 | 0.15 |
混凝土 | 0~100 | 1.28 |
耐火砖 | 1.04 | |
保温砖 | 0~100 | 0.12~0.21 |
建筑砖 | 20 | 0.69 |
绒毛毯 | 0~100 | 0.047 |
棉毛 | 30 | 0.050 |
玻璃 | 30 | 1.09 |
云母 | 50 | 0.43 |
硬橡皮 | 0 | 0.15 |
锯屑 | 20 | 0.052 |
软木 | 30 | 0.043 |
玻璃毛 | -- | 0.041 |
85%氧化镁 | -- | 0.070 |
TDD(岩棉)保温一体板 | 70 | 0.040 |
TDD(XPS板)保温一体板 | 25 | 0.028 |
TDD(真空绝热)保温一体板 | 25 | 0.006 |
TDD真空绝热保温板 | 25 | 0.006 |
ABS | -- | 0.25 |
导热系数液体
液体分成金属液体和非金属液体两类，前者导热系数较高，后者较低。在非金属液体中，水的导热系数，除去水和甘油外，绝大多数液体的导热系数随温度升高而略有减小。一般来说，溶液的导热系数低于纯液体的导热系数。表2列出了几种液体的导热系数值。
表 2 液体的导热系数
液体 | 温度，℃ | 导热系数λ，W/m·K | |
醋酸 | 50% | 20 | 0.35 |
丙酮 | 30 | 0.17 | |
苯胺 | 0~20 | 0.17 | |
苯 | 30 | 0.16 | |
氯化钙盐水 | 30% | 30 | 0.55 |
乙醇 | 80% | 20 | 0.24 |
甘油 | 60% | 20 | 0.38 |
甘油 | 40% | 20 | 0.45 |
正庚烷 | 30 | 0.14 | |
水银 | 28 | 8.36 | |
硫酸 | 90% | 30 | 0.36 |
硫酸 | 60% | 30 | 0.43 |
水 | 30 | 0.62 |
导热系数气体
气体的导热系数随温度升高而增大。在通常的压力范围内，其导热系数随压力变化很小，只有在压力大于196200kN/m2 ，或压力小于2.67 kN/m2（20mmHg）时，导热系数才随压力的增加而加大。故工程计算中常可忽略压力对气体导热系数的影响。
气体的导热系数很小，故对导热不利，但对保温有利。常见的几种气体的导热系数值见表3 。
表 3 气体的导热系数
气体 | 温度，℃ | 导热系数λ，W/m·K |
氢 | 0 | 0.17 |
二氧化碳 | 0 | 0.015 |
空气 | 0 | 0.024 |
空气 | 100 | 0.031 |
甲烷 | 0 | 0.029 |
水蒸汽 | 100 | 0.025 |
氮 | 0 | 0.024 |
乙烯 | 0 | 0.017 |
氧 | 0 | 0.024 |
乙烷 | 0 | 0.018 |
导热系数保温材料
通常把导热系数较低的材料称为保温材料（我国国家标准规定，凡平均温度不高于350℃时导热系数不大于0.12W/(m·K)的材料称为保温材料），而把导热系数在0.05 W/(m·K)以下的材料称为高效保温材料。
导热系数高的物质有优良的导热性能。在热流密度和厚度相同时，物质高温侧壁面与低温侧壁面间的温度差，随导热系数增大而减小。比如：锅炉炉管在未结水垢时，由于钢的导热系数高，钢管的内外壁温差不大。而钢管内壁温度又与管中水温接近，因此，管壁温差（内外壁温度平均值）不会很高。但当炉管内壁结水垢时，由于水垢的导热系数很小，水垢内外侧温差随水垢厚度增大而增大，从而把管壁金属温度迅速抬高。当水垢厚度达到相当大（一般为1~3毫米）后，会使炉管管壁温度超过允许值，造成炉管过热损坏。对锅炉炉墙及管道的保温材料来讲，则要求导热系数越低越好。
一般常把导热系数小于0.2W/(m·K)的材料称为保温材料。例如石棉、珍珠岩等。[3]
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