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中級(jí)會(huì)員 | 第6年

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從穩(wěn)態(tài)到瞬態(tài):導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀的技術(shù)演進(jìn)之路

時(shí)間:2025/5/26閱讀:61
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  導(dǎo)熱系數(shù)是材料熱物理性能的關(guān)鍵參數(shù),直接影響建筑節(jié)能、電子散熱、航空航天等領(lǐng)域的性能優(yōu)化。導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀作為量化這一參數(shù)的核心工具,其技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了從穩(wěn)態(tài)法到瞬態(tài)法的演進(jìn),為材料研發(fā)與工程應(yīng)用提供了更高效、更精準(zhǔn)的測(cè)試手段。

  一、穩(wěn)態(tài)法:經(jīng)典技術(shù)的奠基

  穩(wěn)態(tài)法導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀基于傅里葉熱傳導(dǎo)定律,通過(guò)在試樣兩側(cè)建立恒定溫度差,測(cè)量熱流密度、試樣厚度及溫度差,計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)。其核心原理清晰,測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確可靠,但存在測(cè)試周期長(zhǎng)、設(shè)備復(fù)雜、對(duì)環(huán)境條件要求高等局限。

  防護(hù)熱板法(GHP)

  作為穩(wěn)態(tài)法的經(jīng)典代表,防護(hù)熱板法通過(guò)雙試樣結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)熱流均勻傳遞,適用于低導(dǎo)熱材料(如保溫材料)的測(cè)試。其優(yōu)點(diǎn)是精度高(±1%),但測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天,設(shè)備成本高昂,且對(duì)試樣尺寸要求嚴(yán)格。

  熱流計(jì)法(HFM)

  熱流計(jì)法通過(guò)熱流傳感器測(cè)量通過(guò)樣品的熱流,適用于中低溫環(huán)境下的絕熱材料測(cè)試。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試時(shí)間較短,裝置相對(duì)簡(jiǎn)單,但精度略低于防護(hù)熱板法,且無(wú)法進(jìn)行高溫測(cè)試。

  穩(wěn)態(tài)法在建筑保溫材料、絕熱材料等領(lǐng)域長(zhǎng)期占據(jù)主導(dǎo)地位,但隨著材料科學(xué)的發(fā)展,對(duì)測(cè)試速度、溫度范圍及樣品適應(yīng)性的需求日益增加,穩(wěn)態(tài)法的局限性逐漸顯現(xiàn)。

導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀ST-DRS主圖2_01.jpg


  二、瞬態(tài)法:技術(shù)突破與革新

  瞬態(tài)法導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀通過(guò)記錄材料在瞬態(tài)熱激勵(lì)下的溫度變化,結(jié)合數(shù)學(xué)模型反演導(dǎo)熱系數(shù)。其核心優(yōu)勢(shì)在于測(cè)試速度快、測(cè)量范圍寬、對(duì)環(huán)境要求低,適用于高導(dǎo)熱材料、高溫環(huán)境及復(fù)雜樣品的測(cè)試。

  激光閃射法(LFA)

  激光閃射法利用激光脈沖瞬間加熱樣品下表面,通過(guò)紅外檢測(cè)器測(cè)量上表面溫度變化,結(jié)合樣品比熱容、密度及厚度等參數(shù),計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試速度快(<1分鐘),支持高溫測(cè)試(最高3000℃),適用于金屬、陶瓷等高導(dǎo)熱材料。

  瞬態(tài)平面熱源法(TPS)

  TPS法通過(guò)平面探頭同時(shí)作為熱源和溫度傳感器,記錄溫度與探頭的響應(yīng)時(shí)間,直接得到導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率。其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便,測(cè)試時(shí)間短(60秒內(nèi)),適用于固體、液體、粉末等多種材料。

  熱線法

  熱線法通過(guò)在試樣中插入加熱絲,測(cè)量加熱絲在加熱過(guò)程中的溫度變化,計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是空間分辨率高,適用于微納尺度材料(如薄膜、涂層)的測(cè)試。

  瞬態(tài)法的出現(xiàn)徹-底改變了導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試的格局。以西安夏溪電子科技有限公司的TC 3000系列為例,該儀器采用瞬態(tài)熱線法,測(cè)試速度僅需2~20秒,準(zhǔn)確度可達(dá)±1%,適用于各種固體、液體、膠體材料,極大地提高了測(cè)試效率。

  三、技術(shù)演進(jìn)的核心驅(qū)動(dòng)力

  測(cè)試速度的需求

  在材料研發(fā)與生產(chǎn)過(guò)程中,快速篩選和質(zhì)量控制對(duì)測(cè)試速度提出了更高要求。瞬態(tài)法通過(guò)縮短測(cè)試時(shí)間,顯著提高了測(cè)試效率。

  溫度范圍的擴(kuò)展

  隨著高溫材料(如航空航天材料、核能材料)的發(fā)展,測(cè)試溫度范圍不斷擴(kuò)展。瞬態(tài)法支持高溫測(cè)試,滿足了這一需求。

  樣品適應(yīng)性的提升

  瞬態(tài)法對(duì)樣品形態(tài)、尺寸的要求較低,適用于粉末、液體、薄膜等復(fù)雜樣品的測(cè)試,拓展了導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試的應(yīng)用場(chǎng)景。

  自動(dòng)化與智能化的推動(dòng)

  現(xiàn)代導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀普遍采用計(jì)算機(jī)控制與數(shù)據(jù)分析,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化測(cè)試與結(jié)果輸出。瞬態(tài)法通過(guò)簡(jiǎn)化操作流程,進(jìn)一步降低了對(duì)操作人員的要求。

  四、未來(lái)展望:多物理場(chǎng)耦合與原位測(cè)試

  多物理場(chǎng)耦合分析

  未來(lái)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀將結(jié)合熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)、比熱容等多參數(shù)測(cè)試,構(gòu)建材料熱物性數(shù)據(jù)庫(kù),為材料研發(fā)提供更全面的數(shù)據(jù)支持。

  原位測(cè)試技術(shù)

  在材料合成或使用過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)導(dǎo)熱系數(shù)變化,如電池充放電循環(huán)中的熱性能演變,將成為新的研究方向。

  極-端環(huán)境測(cè)試

  開(kāi)發(fā)支持-196℃(液氮)至3000℃高溫的測(cè)試設(shè)備,滿足超導(dǎo)材料、核聚變裝置等極-端環(huán)境下的測(cè)試需求。

  結(jié)語(yǔ)

  從穩(wěn)態(tài)法到瞬態(tài)法,導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀的技術(shù)演進(jìn)體現(xiàn)了材料科學(xué)對(duì)測(cè)試精度、速度與適應(yīng)性的不斷追求。穩(wěn)態(tài)法以其高精度在特定領(lǐng)域仍具有不可替代的價(jià)值,而瞬態(tài)法則以其高效、靈活的特點(diǎn)成為現(xiàn)代材料研發(fā)與工程應(yīng)用的主流選擇。未來(lái),隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀將在更多新興領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用,為全球碳中和、智能制造等戰(zhàn)略目標(biāo)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。


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