測量導熱系數(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，另一類是動態(tài)法。用穩(wěn)態(tài)法時，先用熱源對測試樣品進行加熱，并在樣品內(nèi)部形成穩(wěn)定的溫度分布，然后進行測量。而在動態(tài)法中，待測樣品中的溫度分布是隨時間變化的，例如按周期性變化等。

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導熱系數(shù)測量方法-穩(wěn)態(tài)法

穩(wěn)態(tài)方法應用傅里葉熱傳導定律來測量熱導率。不同穩(wěn)態(tài)熱流方法的問題的解決方案是將傳熱問題轉(zhuǎn)換為一維問題，從而簡化計算。對于無限的板塊、無限的圓柱體或球體的模型，其計算方法會發(fā)生變化。典型的試樣幾何形狀、測量系統(tǒng)的配置和熱導率的大小被用來區(qū)分不同類型的熱導率測量。利用熱流方向、熱流守恒以及具有已知熱特性的輔助層，通過以下測量技術(shù)來確定測量對象的熱量大小。以下是常見穩(wěn)態(tài)法：

1）保護熱板法（GHP）

保護熱板，也稱為 Poensgen 裝置，是測量絕緣材料導熱系數(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有軸向熱流的圓柱體。根據(jù)被測試材料的導熱性和均勻性，樣品的厚度在幾毫米和幾分米之間。其操作的基礎是在已知厚度的樣品上建立一個固定的溫度梯度，并控制熱量從一側(cè)流向另一側(cè)。

熱板是電加熱的，冷板是珀爾帖冷卻器或液體冷卻的散熱器。該配置是對稱排列的，有保護的熱板位于兩側(cè)，而加熱裝置則夾在兩個試樣或單個試樣和一個輔助層之間，如下圖，圖中顯示了這兩種類型的保護熱板裝置。在單面系統(tǒng)狀態(tài)下，熱流通過一個試樣，而主加熱器的頂部作為一個絕緣護板，從而確保絕熱環(huán)境。這些熱量測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量區(qū)的儀器，該計量區(qū)在所有側(cè)邊都被護罩加熱器部分包圍。

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2）保護熱流計法

這種方法類似于熱板，不同之處在于它不是測量溫差，而是測量通過樣品的熱通量。這是通過永久安裝在設備中的一個或兩個熱流傳感器實現(xiàn)的。

在許多情況下，熱流傳感器包含在一個熱敏電阻上串聯(lián)熱電偶，例如一個薄的陶瓷或塑料板。在這種情況下，信號是一個與板上的溫降成比例的熱電壓。在更現(xiàn)代的設計中，熱電或珀爾帖效應模塊被用作熱流傳感器，它們產(chǎn)生的電流與通過它們的熱流成正比。

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3）直接加熱法

穩(wěn)態(tài)方法的兩個缺點是時間要求過長和難以確定熱損失，尤其是在高溫下。直接加熱法可以克服這些缺點，可用于金屬等導電材料。將線、管或棒等試樣置于真空室中，夾在兩個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計示意圖。

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

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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。一個核心加熱器，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。護端加熱器可用于最大限度地減少軸向熱損失，同時增加試樣的長徑比也能達到同樣的目的。以下左圖是直接加熱法的示意圖設計，右圖是管道法的示意圖設計

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穩(wěn)態(tài)方法相對于其他方法的優(yōu)點如下：

●簡單的數(shù)學表達式，

●是低電導率樣品的絕對和主要方法

●可接受的時間消耗

●部分適用于粉末狀、顆粒狀或固體形式

●對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）

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穩(wěn)態(tài)方法相對于其他方法的缺點如下：

●復雜的儀器提供高精確度

●條件的不確定性為10%或更高

●耗費時間

●由于接觸電阻造成的不可估量的誤差

●難以測量幾何形狀的樣品（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

●難以測量兩個試樣的熱流值

●含有水分的試樣的使用誤差

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導熱系數(shù)測量方法-動態(tài)法

動態(tài)方法的優(yōu)點主要在于所需時間短，可以在測量過程中確定各種熱值。因此，這種方法以信號測量和可接受的小溫差為基礎。動態(tài)技術(shù)是通過評估信號傳輸?shù)皆嚇又挟a(chǎn)生熱量后的反饋反應進行測量的。因此，對于動態(tài)方法，測試時間在幾分鐘或亞秒時間間隔內(nèi)獲得。由于樣本中的信號和響應，該方法也更適用于高水分含量的材料。在許多情況下，可以通過只測量試樣上一個位置的時間函數(shù)來代替兩個相對表面的溫度測量。

在動態(tài)法中，熱線法和激光閃光法常用于測量不同材料的熱導率。熱線法的一個改進是熱壓條或圓盤技術(shù)，它可以應用于非導電的固體材料，以測量熱擴散率和電導率。

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1）熱線法（THW）

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

熱線模型的示意圖如下圖所示。導線溫度升高的速度取決于向周圍材料傳導的熱耗散。因此，通過測量上述溫升速度，可以得到材料的熱導率。事實上，在液體的情況下，它已經(jīng)成為標準參考。例如使用水銀毛細管來測量冷媒混合物。

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2）加熱針探頭法

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

以上是針探頭的原理圖和設計，這是由一根細小的空心金屬針（直徑3毫米）組成，包含一個獨立的加熱電阻和熱敏電阻。然后，該針同時作為熱源和溫度探針。當針被加熱時，它將向周圍的材料傳導熱量。熱傳遞的速度受材料的導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。通過測量針周圍的溫度上升與時間的關(guān)系，以及了解針的幾何形狀和屬性，可以用數(shù)學模型計算出材料的熱導率。它經(jīng)常被用于測量不均勻的樣品，如巖石或土壤。

3）動態(tài)熱條法

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

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

通過測量作為時間函數(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)學模型計算出樣品的熱導率。

動態(tài)熱條法是一種非破壞性和非侵入性的技術(shù)，可用于測量薄膜或涂層的熱導率，而不損壞樣品。它可以在廣泛的熱導率范圍內(nèi)提供精確的測量，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。

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4）熱盤法

動態(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)旨在測量熱導率和熱擴散率。動態(tài)技術(shù)相對于穩(wěn)態(tài)技術(shù)的優(yōu)勢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) 的導熱系數(shù)范圍內(nèi)進行準確測量。TPS 技術(shù)用于測量絕緣材料和導電材料的導熱系數(shù)。熱盤測量的主要優(yōu)點是它可以快速產(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適應不同的樣品類型。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。最常見的涂層材料是 Kapton，用于測量 30 至 450 K 之間的溫度范圍，云母用于高達 1200 K 的更高溫度，以及特氟隆。傳感器既充當熱源又充當溫度計。源和溫度計分別用于確定樣品溫度的變化和隨時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。在測試過程中，電流通過鎳螺旋并導致溫度升高。產(chǎn)生的熱量從兩側(cè)散發(fā)到整個試樣。通過比較傳感器中的溫度與時間響應，可以準確計算熱導率或擴散率。熱盤原理圖如下

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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，而不會因可實現(xiàn)測量的不確定性而受到重大限制。可在-100 至約 3000°C 的溫度范圍內(nèi)測量該特性。

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

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6）光熱法

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

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

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

●壓力：壓力變化是通過聲學方法獲得的

●密度：密度變化包括檢測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

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7）熱比較法

該方法是基于觀察，即當兩種不同溫度的材料在小范圍內(nèi)接觸時，熱量會從較熱的物體轉(zhuǎn)移到較冷的物體，這是材料的熱導率的一個函數(shù)。因此，在接觸點很早就達到了一個中間溫度。接觸溫度取決于兩種材料的導熱性。這種技術(shù)被用來測量有機液體和液體混合物的熱導率。

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8）溫度擺動法

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

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9）3ω法

被稱為3ω法的方法通常用于測量薄膜和固體材料的熱導率。一個頻率為ω的角調(diào)制的交流電流通過導線。該導線同時作為加熱器和溫度計使用。這個過程產(chǎn)生的熱量會擴散到試樣中。由于金屬加熱器的電阻與溫度成正比（線性），溫度振蕩可以通過測量相關(guān)的3ω電壓來間接測量。

因為電流的驅(qū)動頻率為ω，而電阻的變化頻率為2ω，所以會產(chǎn)生一個3ω的電壓。如下圖所示，在試樣上繪制了一條導電的細線。

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10）Fitch法

由Fitch 開發(fā)的 Fitch 方法是通過使用平面熱源來測量低熱導率的材料。這種方法由兩部分組成：一個熱源和一個熱接收器。熱源是一個充滿恒溫液體的容器，作為水槽發(fā)揮作用。受熱體是一個銅塞形式的水槽，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量。它被假設為具有均勻的溫度分布。Fitch 方法的示意圖如下

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導熱測試方法的標準匯總

ASTM C177/C177-13，通過防護熱板設備進行穩(wěn)態(tài)熱通量測量和熱傳輸特性的標準測試方法。

ASTM C518/C518-10/C518-15，使用熱流計裝置進行穩(wěn)態(tài)熱傳輸特性的標準測試方法。

ASTM C335/335-10e1，管道絕熱穩(wěn)態(tài)傳熱性能的標準測試方法。

ASTM C653-97(2012)，低密度毯式礦物纖維絕緣熱阻測定標準指南。

ASTM C680-14，使用計算機程序估算隔熱平面、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準實踐。

ASTM C687-12，松散填充建筑隔熱層熱阻測定的標準實踐。

ASTM C1303/C1303M-15，用于預測閉孔泡沫隔熱材料長期熱阻的標準測試方法。

ASTM C1114-06(2013)，使用薄加熱器設備進行穩(wěn)態(tài)熱傳輸性能的標準測試方法。

ASTM C1363/C1363-05/ C1363-11，使用熱箱設備對建筑材料和外殼組件進行熱性能測試的標準測試方法。

ASTM C1667-15，使用熱流計裝置測量真空絕熱板中心熱傳輸性能的標準測試方法。

ASTM C1696-14ae1，工業(yè)隔熱系統(tǒng)標準指南。

ASTM C1774-13，低溫絕熱系統(tǒng)熱性能測試標準指南。

ASTM D5470-06，導熱電絕緣材料熱傳輸性能的標準測試方法。

ASTM E1225-09/E1225-13，通過保護比較縱向熱流技術(shù)進行固體導熱性的標準測試方法。

ASTM E1530-06/E1530-11，通過保護熱流計技術(shù)評估材料熱傳輸阻力的標準測試方法。

ASTM F433-02 (2009, 2014)，評估墊片材料導熱性的標準實踐

ASTM D5334-08，通過熱針探針程序測定土壤和軟巖熱導率的標準測試方法。

DIN EN 12667/12939，使用熱流計法或防護熱板技術(shù)測量絕緣材料的歐洲標準。

DIN EN 13163，使用熱流計法或防護熱板技術(shù)表征建筑應用泡沫絕緣材料的歐洲標準。

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

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

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

ASTM C1113/C1113M-09 (2013)，通過熱線（鉑電阻溫度計技術(shù)）測定耐火材料導熱系數(shù)的標準測試方法。