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導熱系數測試方法簡介

作者: 編輯: 來源: 發布日期: 2019.03.28
信息摘要:
  新能源汽車行業,導熱材料應用比較普遍。  導熱系數是表征導熱材料性能,優劣重要的參數之一,  也是使用者最為關注的技術指標。
   新能源汽車行業,導熱材料應用比較普遍。 導熱系數是表征導熱材料性能,優劣重要的參數之一, 也是使用者最為關注的技術指標。



     導熱系數的定義是: 在穩定傳熱條件下,1m厚的材料,兩側表面的溫差為1度(K,℃),在1秒內(1s),通過1平方米面積傳遞的熱量,單位為瓦/米·度(W/(m·K),此處為K可用℃代替)。


       材料的導熱系數不僅與材料的物質種類有關,而且與它的微觀結構、填料含量等有密切聯系。在科學實驗和工程設計中,所用材料的導熱系數都需要用實驗的方法精確測定。 導熱系數的測定方法發展到現在已經有了許多種,它們有不同的適用領域、測量范圍、精度、準確度和試樣尺寸要求等,不同方法對同一樣品的測量結果可能會有較大的差別,因此選擇合適的測試方法是首要的。


       目前導熱系數的測定方法分為穩態法和非穩態法兩大類,具有各自不同的測試原理。在導熱硅膠行業中,常見的測試方法是穩態熱板法(參照標準:ASTM D5470),瞬態平面熱源法(參照標準:ISO 22007-2)。


下文將為大家介紹上述兩種測試方法以及使用的測試儀器。

 

一、ASTM D5470

 

薄型導熱固態電絕緣材料熱傳輸特性的標準測試方法


      該方法采用的是通常所說的穩態熱流法,其測試原理是將一定厚度的樣品置于上下兩個平板間,對樣品施加一定的熱流量和壓力,使用熱流傳感器測量通過樣品的熱流、測試樣品的厚度、熱板/ 冷板間的溫度梯度,然后得出不同厚度下對應的熱阻數據作直線擬合得出樣品的導熱系數。

這種方法的優點是:

①可以 測試產品的熱阻與導熱系數;

②特別適合模擬產品在實際工況下的使用狀態。

缺點是:

①對產品的厚度有一定要求;

②接觸熱阻會影響測試結果;

③為了到達穩態,測試所需時間較長。

穩態熱板法原理圖

穩態熱板法原理圖

傅里葉定律:傅里葉定律

熱阻:熱阻計算公式


導熱系數:導熱系數計算公式

常用的測試設備如下:


AOKDRL-II型導熱系數測試儀(圖)

DRL-II型導熱系數測試儀(圖)

AOK DRL-III型導熱系數測試儀(圖)

DRL-III型導熱系數測試儀(圖)

AOK LW-9389型界面材料熱阻及熱傳導系數儀(圖)

LW-9389型界面材料熱阻及熱傳導系數儀(圖)


 

二、ISO 22007-2-2008 塑料

 

熱傳導率和熱擴散率的測定

        瞬態平面熱源法(TPS)是目前研究材料導熱性能的方法中最方便、精確的一種,由熱線法改進而來。這種方法采用一個瞬間熱平面探頭(Hot Disk探頭),我們也將其稱之為Hot Disk法。Hot Disk探頭由熱阻性材料鎳制成,包覆有絕緣材料(聚酰亞胺,云母等),探頭帶自加熱功能。


        這種方法的原理是,將帶有自加熱功能的溫度探頭放置于樣品中,測試時在探頭上施加一個恒定的加熱功率,使其溫度上升。鎳的熱電阻系數— 溫度和電阻的關系呈線性關系,即可通過了解電阻的變化可以知道熱量的損失,從而反映樣品的導熱性能。然后測量探頭本身和與探頭相隔一定距離的圓球面上的溫度隨時間上升的關系,通過數學模型擬合同時得到樣品的導熱系數和熱擴散系數。

AOK 圖 包覆聚酰亞胺的Hot Disk 探頭

圖 包覆聚酰亞胺的Hot Disk 探頭

Hot Disk 固體樣品放置示意圖 AOK

Hot Disk 固體樣品放置示意圖

這種方法的優點是:

①能夠同時測量熱導率、熱擴散率以及單位體積的熱容;

②測試范圍廣(0.005~500W/m· K)、精度高(±3%)、重復性好 (±1%)、測量時間短(單次測量 3~5min)和操作簡便;

③可測試的樣品種類多(液體、粉末、凝膠、高分子、復合材料等 );

④不受接觸熱阻的影響,其測試結果更貼近于材料本身的導熱系數。

  缺點是此方法適用于測均質材料的導熱系數,不適合用于測各向異性材料(如石墨片 )。

典型的測試設備是瑞典的Hot Disk導熱測試儀

圖 Hot Disk導熱測試儀 AOK

圖 Hot Disk導熱測試儀



  導熱系數是材料本身的參數,與形狀大小無關。目前已有大量的導熱測試方法,但沒有任何一種方法能適用于所有產品、所有場合。產品品特性、測試標準、測試環境等都會對導熱系數的結果產生影響。材料的導熱系數不能用不同測試方法得到的數據進行對比。要得到準確和有參考意義的結果,必須選擇合適的測試方法進行測量。


最后附上我們整理的一些測試導熱系數的標準方法:

一、穩態法

GB/T 3651-2008 金屬高溫導熱系數測量方法

GB/T8722-2008 石墨材料中溫導熱系數測定方法

GB/T 10294-2008 絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定——防護熱板法

GB/T10295-2008 絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定——熱流計法

GB/T 10296-2008 絕熱層穩態傳熱性質的測定——圓管法

GB/T 17357-2008 設備及管道絕熱層表面熱損失現場測定——熱流計法

YBT4130-2005 耐火材料導熱系數試驗方法 水流量平板法


ASTM C177-10 用護熱板法儀器測定穩態熱流和傳熱性能的標準測試方法

ASTMC182-1998 隔熱耐火磚導熱系數標準測試方法

ASTM C201-1998 耐火材料導熱系數標準測試方法

ASTM C202-1998 耐火磚導熱系數標準測試方法

ASTM  C335-05a 臥式隔熱管穩態傳熱特性標準測試方法

ASTM C518-04 用熱流計裝置的穩態熱傳輸性能標準測試方法

ASTM C680-08 采用計算機程序估算板狀、柱狀和球狀系統表面溫度和熱量增減的標準操作規范

ASTM  C687-07 酥松填充式建筑隔熱材料熱阻測量的標準操作規范

ASTM  C1043-06 防護熱板法設計中采用環形線加熱源標準操作規范

ASTM  C1044-07 在單試樣模式中采用?;と勸遄爸沒蟣〖尤繞髯爸玫謀曜疾僮鞴娣?

ASTM  C1113-2004 熱線法(鉑電阻溫度計技術)耐火材料導熱系數標準測試方法

ASTM C1114-06 用薄加熱器裝置的穩態熱傳輸性能標準測試方法

ASTM D5470-2012 薄型導熱固態電絕緣材料熱傳輸特性的標準測試方法

ASTM D6744-01 采用?;と攘骷萍際醪舛ㄑ艏既鵲悸時曜際匝櫸椒?

ASTM  E1225-04 采用?;け冉鮮階菹蛉攘骷際醪舛ü燙迦鵲悸時曜際匝櫸椒?

ASTM  E1530-06 采用防護熱流計技術評價材料熱阻的標準測試方法

ASTM  F433-02 墊片類材料熱導率評價標準規程


二、瞬態法

GJB 1201.1-1991 固體材料高溫熱擴散率試驗方法 激光脈沖法

GB/T 5990-2006 耐火材料 導熱系數試驗方法 熱線法

GBT  10297-1998非金屬固體材料導熱系數測定方法

GBT 22588-2008 閃光法測量熱擴散系數或導熱系數


ASTM C714-05 熱脈沖法測量碳和石墨熱擴散率標準試驗方法

ASTM C5334-00 熱探針法確定土壤和軟巖石導熱系數的的標準測試方法

ASTM  D5930-01 采用瞬態線熱源技術確定塑料導熱系數的標準測試方法


ISO  13826-2013 金屬及其他無機涂層-通過激光脈沖法測定熱噴涂陶瓷涂層的熱擴散率

ISO-DIS  18555 2014 金屬和其它無機涂層——熱障涂層熱導率的測定

ISO-FDIS 18755-2004 精制陶瓷(先進陶瓷、先進技術陶瓷)——采用激光閃光法測定陶瓷片熱擴散率

ISO 22007-2-2008 塑料.熱傳導率和熱擴散率的測定.第2部分 瞬態平面熱源法


三、準穩態法

ASTM E2584-07 用熱容量熱計(插片式)測量材料熱導率標準實施規程


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