測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的方法比較多，但可以歸并為兩類基本方法：一類是穩(wěn)態(tài)法，另一類是動(dòng)態(tài)法。用穩(wěn)態(tài)法時(shí)，先用熱源對(duì)測(cè)試樣品進(jìn)行加熱，并在樣品內(nèi)部形成穩(wěn)定的溫度分布，然后進(jìn)行測(cè)量。而在動(dòng)態(tài)法中，待測(cè)樣品中的溫度分布是隨時(shí)間變化的，例如按周期性變化等。

?

導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法-穩(wěn)態(tài)法

穩(wěn)態(tài)方法應(yīng)用傅里葉熱傳導(dǎo)定律來(lái)測(cè)量熱導(dǎo)率。不同穩(wěn)態(tài)熱流方法的問(wèn)題的解決方案是將傳熱問(wèn)題轉(zhuǎn)換為一維問(wèn)題，從而簡(jiǎn)化計(jì)算。對(duì)于無(wú)限的板塊、無(wú)限的圓柱體或球體的模型，其計(jì)算方法會(huì)發(fā)生變化。典型的試樣幾何形狀、測(cè)量系統(tǒng)的配置和熱導(dǎo)率的大小被用來(lái)區(qū)分不同類型的熱導(dǎo)率測(cè)量。利用熱流方向、熱流守恒以及具有已知熱特性的輔助層，通過(guò)以下測(cè)量技術(shù)來(lái)確定測(cè)量對(duì)象的熱量大小。以下是常見穩(wěn)態(tài)法：

1）保護(hù)熱板法（GHP）

保護(hù)熱板，也稱為 Poensgen 裝置，是測(cè)量絕緣材料導(dǎo)熱系數(shù)最常用和最有效的方法。試樣的幾何形狀或試樣所在的室是一塊板或一個(gè)有軸向熱流的圓柱體。根據(jù)被測(cè)試材料的導(dǎo)熱性和均勻性，樣品的厚度在幾毫米和幾分米之間。其操作的基礎(chǔ)是在已知厚度的樣品上建立一個(gè)固定的溫度梯度，并控制熱量從一側(cè)流向另一側(cè)。

熱板是電加熱的，冷板是珀?duì)柼鋮s器或液體冷卻的散熱器。該配置是對(duì)稱排列的，有保護(hù)的熱板位于兩側(cè)，而加熱裝置則夾在兩個(gè)試樣或單個(gè)試樣和一個(gè)輔助層之間，如下圖，圖中顯示了這兩種類型的保護(hù)熱板裝置。在單面系統(tǒng)狀態(tài)下，熱流通過(guò)一個(gè)試樣，而主加熱器的頂部作為一個(gè)絕緣護(hù)板，從而確保絕熱環(huán)境。這些熱量測(cè)量是由差分熱電偶記錄的，差分熱電偶是控制平坦的電加熱計(jì)量區(qū)的儀器，該計(jì)量區(qū)在所有側(cè)邊都被護(hù)罩加熱器部分包圍。

?

2）保護(hù)熱流計(jì)法

這種方法類似于熱板，不同之處在于它不是測(cè)量溫差，而是測(cè)量通過(guò)樣品的熱通量。這是通過(guò)永久安裝在設(shè)備中的一個(gè)或兩個(gè)熱流傳感器實(shí)現(xiàn)的。

在許多情況下，熱流傳感器包含在一個(gè)熱敏電阻上串聯(lián)熱電偶，例如一個(gè)薄的陶瓷或塑料板。在這種情況下，信號(hào)是一個(gè)與板上的溫降成比例的熱電壓。在更現(xiàn)代的設(shè)計(jì)中，熱電或珀?duì)柼?yīng)模塊被用作熱流傳感器，它們產(chǎn)生的電流與通過(guò)它們的熱流成正比。

?

3）直接加熱法

穩(wěn)態(tài)方法的兩個(gè)缺點(diǎn)是時(shí)間要求過(guò)長(zhǎng)和難以確定熱損失，尤其是在高溫下。直接加熱法可以克服這些缺點(diǎn)，可用于金屬等導(dǎo)電材料。將線、管或棒等試樣置于真空室中，夾在兩個(gè)用液體冷卻的散熱器之間，并將試樣加熱至 300–4000 K 范圍內(nèi)的溫度。以下4）的左側(cè)的圖描繪了直接加熱法的設(shè)計(jì)示意圖。

在桿的中間和桿的兩端測(cè)量電壓降和溫度。根據(jù)直接加熱法獲得的這三個(gè)測(cè)量值，可以計(jì)算熱導(dǎo)率和比電阻率k。

?

4）管道法

管道法利用了圓柱形試樣中的徑向熱流的優(yōu)勢(shì)。一個(gè)核心加熱器，即一根管子、棒子或線，被插入管狀試樣的中心軸。在試樣的兩端都有加熱器。試樣和加熱器的組合被隔熱層包圍，然后是水套或液體冷卻的散熱器。下圖右側(cè)顯示了管道法的原理圖和組成部分。護(hù)端加熱器可用于最大限度地減少軸向熱損失，同時(shí)增加試樣的長(zhǎng)徑比也能達(dá)到同樣的目的。以下左圖是直接加熱法的示意圖設(shè)計(jì)，右圖是管道法的示意圖設(shè)計(jì)

?

穩(wěn)態(tài)方法相對(duì)于其他方法的優(yōu)點(diǎn)如下：

●簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)表達(dá)式，

●是低電導(dǎo)率樣品的絕對(duì)和主要方法

●可接受的時(shí)間消耗

●部分適用于粉末狀、顆粒狀或固體形式

●對(duì)于接近室溫的絕緣材料，不確定度為1-2%

●可接受的小試樣（同心球除外）

?

穩(wěn)態(tài)方法相對(duì)于其他方法的缺點(diǎn)如下：

●復(fù)雜的儀器提供高精確度

●條件的不確定性為10%或更高

●耗費(fèi)時(shí)間

●由于接觸電阻造成的不可估量的誤差

●難以測(cè)量幾何形狀的樣品（同心圓柱或同心

球）

●特別是在平行板和同心圓筒方法中的熱損失

●難以測(cè)量?jī)蓚€(gè)試樣的熱流值

●含有水分的試樣的使用誤差

?

導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法-動(dòng)態(tài)法

動(dòng)態(tài)方法的優(yōu)點(diǎn)主要在于所需時(shí)間短，可以在測(cè)量過(guò)程中確定各種熱值。因此，這種方法以信號(hào)測(cè)量和可接受的小溫差為基礎(chǔ)。動(dòng)態(tài)技術(shù)是通過(guò)評(píng)估信號(hào)傳輸?shù)皆嚇又挟a(chǎn)生熱量后的反饋反應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的。因此，對(duì)于動(dòng)態(tài)方法，測(cè)試時(shí)間在幾分鐘或亞秒時(shí)間間隔內(nèi)獲得。由于樣本中的信號(hào)和響應(yīng)，該方法也更適用于高水分含量的材料。在許多情況下，可以通過(guò)只測(cè)量試樣上一個(gè)位置的時(shí)間函數(shù)來(lái)代替兩個(gè)相對(duì)表面的溫度測(cè)量。

在動(dòng)態(tài)法中，熱線法和激光閃光法常用于測(cè)量不同材料的熱導(dǎo)率。熱線法的一個(gè)改進(jìn)是熱壓條或圓盤技術(shù)，它可以應(yīng)用于非導(dǎo)電的固體材料，以測(cè)量熱擴(kuò)散率和電導(dǎo)率。

?

1）熱線法（THW）

熱線技術(shù)包括將一根導(dǎo)電線（例如鉑 (Pt) 或鉭）浸入所研究的材料中，并讓恒定電流通過(guò)它，使其在焦耳效應(yīng)下被加熱。

熱線模型的示意圖如下圖所示。導(dǎo)線溫度升高的速度取決于向周圍材料傳導(dǎo)的熱耗散。因此，通過(guò)測(cè)量上述溫升速度，可以得到材料的熱導(dǎo)率。事實(shí)上，在液體的情況下，它已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)參考。例如使用水銀毛細(xì)管來(lái)測(cè)量冷媒混合物。

?

2）加熱針探頭法

它是熱線法（THW）的一種延伸方法，其中細(xì)導(dǎo)線被更粗且更耐用的導(dǎo)線所取代。與 THW 相比，其更大的堅(jiān)固性使其能夠開發(fā)出商業(yè)設(shè)備。這種技術(shù)或設(shè)備特別適用于測(cè)量顆粒狀材料，如粉末和土壤，天然材料，如石頭和混凝土，甚至是食品的熱導(dǎo)率。

以上是針探頭的原理圖和設(shè)計(jì)，這是由一根細(xì)小的空心金屬針（直徑3毫米）組成，包含一個(gè)獨(dú)立的加熱電阻和熱敏電阻。然后，該針同時(shí)作為熱源和溫度探針。當(dāng)針被加熱時(shí)，它將向周圍的材料傳導(dǎo)熱量。熱傳遞的速度受材料的導(dǎo)熱性以及其他因素的影響，如針的幾何形狀、輸入到針的功率以及針和材料之間的熱敏電阻。通過(guò)測(cè)量針周圍的溫度上升與時(shí)間的關(guān)系，以及了解針的幾何形狀和屬性，可以用數(shù)學(xué)模型計(jì)算出材料的熱導(dǎo)率。它經(jīng)常被用于測(cè)量不均勻的樣品，如巖石或土壤。

3）動(dòng)態(tài)熱條法

該方法包括將一個(gè)小的、薄的材料條（通常由具有高導(dǎo)熱性的金屬或聚合物制成）附著在被測(cè)樣品的表面。使用短暫的電流脈沖對(duì)該條帶進(jìn)行加熱，并使用位于條帶上的溫度傳感器測(cè)量所產(chǎn)生的溫度上升。

隨著熱量從板帶轉(zhuǎn)移到周圍的材料，板帶的溫度隨著時(shí)間的推移而降低。溫度下降的速度由周圍材料的導(dǎo)熱性以及其他因素決定，如帶材的厚度和特性。

通過(guò)測(cè)量作為時(shí)間函數(shù)的帶材的溫度衰減，以及了解帶材的特性和系統(tǒng)的幾何形狀，可以用數(shù)學(xué)模型計(jì)算出樣品的熱導(dǎo)率。

動(dòng)態(tài)熱條法是一種非破壞性和非侵入性的技術(shù)，可用于測(cè)量薄膜或涂層的熱導(dǎo)率，而不損壞樣品。它可以在廣泛的熱導(dǎo)率范圍內(nèi)提供精確的測(cè)量，并且通常被用于研究和工業(yè)環(huán)境，以描述材料的熱性能。

?

4）熱盤法

動(dòng)態(tài)平面源 (TPS) 技術(shù)是熱條法的最新發(fā)展。它也被稱為 Gustafsson 探針或熱盤法。該技術(shù)旨在測(cè)量熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率。動(dòng)態(tài)技術(shù)相對(duì)于穩(wěn)態(tài)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于在分析中消除了接觸電阻的影響。該方法可確保在 30 至 1200 K 的溫度范圍內(nèi)在 0.005 至 500 W/(m K) 的導(dǎo)熱系數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。TPS 技術(shù)用于測(cè)量絕緣材料和導(dǎo)電材料的導(dǎo)熱系數(shù)。熱盤測(cè)量的主要優(yōu)點(diǎn)是它可以快速產(chǎn)生結(jié)果（通常在 10 分鐘內(nèi)），并且可以使用不同尺寸的傳感器來(lái)適應(yīng)不同的樣品類型。此外，

熱盤法使用鍍鎳材料雙螺旋形狀的傳感器。TPS 傳感器由許多同心圓組成，這些同心圓被制成雙螺旋，以便電流從一端流向另一端。薄的聚合物涂層材料用作螺旋上的電絕緣和傳感器保護(hù)。最常見的涂層材料是 Kapton，用于測(cè)量 30 至 450 K 之間的溫度范圍，云母用于高達(dá) 1200 K 的更高溫度，以及特氟隆。傳感器既充當(dāng)熱源又充當(dāng)溫度計(jì)。源和溫度計(jì)分別用于確定樣品溫度的變化和隨時(shí)間變化的溫度的增加。

傳感器夾在兩塊試樣之間，如下圖所示。在測(cè)試過(guò)程中，電流通過(guò)鎳螺旋并導(dǎo)致溫度升高。產(chǎn)生的熱量從兩側(cè)散發(fā)到整個(gè)試樣。通過(guò)比較傳感器中的溫度與時(shí)間響應(yīng)，可以準(zhǔn)確計(jì)算熱導(dǎo)率或擴(kuò)散率。熱盤原理圖如下

?

5）激光閃光法

激光閃光法是確定固體熱性質(zhì)最常用的方法。該方法可以研究玻璃、金屬和陶瓷的特性，而不會(huì)因可實(shí)現(xiàn)測(cè)量的不確定性而受到重大限制?？稍?100 至約 3000°C 的溫度范圍內(nèi)測(cè)量該特性。

在該方法中，將激光脈沖發(fā)送到樣品的正面，并測(cè)量背面的溫度變化。該方法是通過(guò)在試樣正面用 1 ms 寬度的短激光脈沖加熱試樣來(lái)進(jìn)行的。測(cè)量并確定其后側(cè)的溫度升高。激光閃光法原理圖及原理如下

?

6）光熱法

這一系列方法的原理是基于光誘導(dǎo)固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)的材料的熱態(tài)變化。當(dāng)光被樣品吸收時(shí)，溫度、壓力或密度發(fā)生變化，這可以被檢測(cè)出來(lái)。有一些方法是樣品與檢測(cè)系統(tǒng)接觸，還有一些方法涉及非接觸遙感系統(tǒng)。這些方法的一個(gè)缺點(diǎn)是材料的光學(xué)特性很差，而這些特性是必要的。

測(cè)定材料的光學(xué)吸收和熱特性的光熱方法可根據(jù)所使用的檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行分類。這些方法都是基于測(cè)量以下方面的變化：

●溫度：溫度變化通常通過(guò)接觸測(cè)溫法（例如，光電技術(shù)）、輻射測(cè)溫法或量熱法進(jìn)行研究

●壓力：壓力變化是通過(guò)聲學(xué)方法獲得的

●密度：密度變化包括檢測(cè)折射率的變化或表面的變形。最重要的技術(shù)是熱透鏡法、熱波技術(shù)、光束偏轉(zhuǎn)、折射或衍射方法

?

7）熱比較法

該方法是基于觀察，即當(dāng)兩種不同溫度的材料在小范圍內(nèi)接觸時(shí)，熱量會(huì)從較熱的物體轉(zhuǎn)移到較冷的物體，這是材料的熱導(dǎo)率的一個(gè)函數(shù)。因此，在接觸點(diǎn)很早就達(dá)到了一個(gè)中間溫度。接觸溫度取決于兩種材料的導(dǎo)熱性。這種技術(shù)被用來(lái)測(cè)量有機(jī)液體和液體混合物的熱導(dǎo)率。

?

8）溫度擺動(dòng)法

動(dòng)態(tài)方法的技術(shù)之一是溫度擺動(dòng)法。這種方法的基本原理是在輪廓線上應(yīng)用周期性熱源。這產(chǎn)生了沿其長(zhǎng)度方向的樣品位置的溫度波動(dòng)，其頻率與應(yīng)用熱源相同。對(duì)溫度波傳播的振幅和相位的測(cè)量可以給出熱物理特性的估計(jì)。

?

9）3ω法

被稱為3ω法的方法通常用于測(cè)量薄膜和固體材料的熱導(dǎo)率。一個(gè)頻率為ω的角調(diào)制的交流電流通過(guò)導(dǎo)線。該導(dǎo)線同時(shí)作為加熱器和溫度計(jì)使用。這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的熱量會(huì)擴(kuò)散到試樣中。由于金屬加熱器的電阻與溫度成正比（線性），溫度振蕩可以通過(guò)測(cè)量相關(guān)的3ω電壓來(lái)間接測(cè)量。

因?yàn)殡娏鞯尿?qū)動(dòng)頻率為ω，而電阻的變化頻率為2ω，所以會(huì)產(chǎn)生一個(gè)3ω的電壓。如下圖所示，在試樣上繪制了一條導(dǎo)電的細(xì)線。

?

10）Fitch法

由Fitch 開發(fā)的 Fitch 方法是通過(guò)使用平面熱源來(lái)測(cè)量低熱導(dǎo)率的材料。這種方法由兩部分組成：一個(gè)熱源和一個(gè)熱接收器。熱源是一個(gè)充滿恒溫液體的容器，作為水槽發(fā)揮作用。受熱體是一個(gè)銅塞形式的水槽，除了面向容器的一面外，其他各面都是絕緣的。如果容器的溫度低于銅塊的溫度，那么熱源和熱接收器的作用可以改變。試樣被放置在容器和塞子的開放面之間。如下圖所示，試樣首先與銅塊處于熱平衡狀態(tài)。容器在溫差的作用下與試樣接觸。銅塊的溫度變化和容器底部的溫度由熱電偶測(cè)量。它被假設(shè)為具有均勻的溫度分布。Fitch 方法的示意圖如下

?

導(dǎo)熱測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)匯總

ASTM C177/C177-13，通過(guò)防護(hù)熱板設(shè)備進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱通量測(cè)量和熱傳輸特性的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。

ASTM C518/C518-10/C518-15，使用熱流計(jì)裝置進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱傳輸特性的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。

ASTM C335/335-10e1，管道絕熱穩(wěn)態(tài)傳熱性能的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。

ASTM C653-97(2012)，低密度毯式礦物纖維絕緣熱阻測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)指南。

ASTM C680-14，使用計(jì)算機(jī)程序估算隔熱平面、圓柱形和球形系統(tǒng)的熱增益或熱損失以及表面溫度的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐。

ASTM C687-12，松散填充建筑隔熱層熱阻測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐。

ASTM C1303/C1303M-15，用于預(yù)測(cè)閉孔泡沫隔熱材料長(zhǎng)期熱阻的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。

ASTM C1114-06(2013)，使用薄加熱器設(shè)備進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱傳輸性能的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。

ASTM C1363/C1363-05/ C1363-11，使用熱箱設(shè)備對(duì)建筑材料和外殼組件進(jìn)行熱性能測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。

ASTM C1667-15，使用熱流計(jì)裝置測(cè)量真空絕熱板中心熱傳輸性能的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。

ASTM C1696-14ae1，工業(yè)隔熱系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)指南。

ASTM C1774-13，低溫絕熱系統(tǒng)熱性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)指南。

ASTM D5470-06，導(dǎo)熱電絕緣材料熱傳輸性能的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。

ASTM E1225-09/E1225-13，通過(guò)保護(hù)比較縱向熱流技術(shù)進(jìn)行固體導(dǎo)熱性的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。

ASTM E1530-06/E1530-11，通過(guò)保護(hù)熱流計(jì)技術(shù)評(píng)估材料熱傳輸阻力的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。

ASTM F433-02 (2009, 2014)，評(píng)估墊片材料導(dǎo)熱性的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐

ASTM D5334-08，通過(guò)熱針探針程序測(cè)定土壤和軟巖熱導(dǎo)率的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。

DIN EN 12667/12939，使用熱流計(jì)法或防護(hù)熱板技術(shù)測(cè)量絕緣材料的歐洲標(biāo)準(zhǔn)。

DIN EN 13163，使用熱流計(jì)法或防護(hù)熱板技術(shù)表征建筑應(yīng)用泡沫絕緣材料的歐洲標(biāo)準(zhǔn)。

ISO 8301/8302，隔熱——穩(wěn)態(tài)熱阻和相關(guān)特性的測(cè)定——熱流計(jì)/防護(hù)熱板裝置。

ISO 8894-1 (EN 993-14)，耐火材料——熱導(dǎo)率的測(cè)定——第 1 部分：熱線法（交叉陣列和電阻溫度計(jì)）。

ISO 8894-2 (EN 993-15)，耐火材料——導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定——第 2 部分：熱線法（平行）

ASTM C1113/C1113M-09 (2013)，通過(guò)熱線（鉑電阻溫度計(jì)技術(shù)）測(cè)定耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。