導熱系數測量

在某些應用場合，了解陶瓷材料的導熱系數，是測量其熱物理性質的關鍵。陶瓷耐火材料常被用作爐子的襯套，因為它們既能耐高溫，又具有良好的絕熱特性，可以減少生產中的能量損耗。航天飛機常使用陶瓷瓦作擋熱板。陶瓷瓦能承受航天飛機回到地球大氣層時產生的高溫，有效防止航天器內部關鍵部件的損壞。在現代化的燃氣渦輪電站，渦輪的葉片上的陶瓷涂層（如穩定氧化鋯）能保護金屬基材不受腐蝕，降低基材上的熱應力。作為有效的散熱器能保護集成電路板與其它電子設備不受高溫損壞，陶瓷已經成為微電子工業領域關鍵材料。

若要在和熱相關的領域使用陶瓷材料，則要求精確測量它們的熱物理性能。在過去的幾十年里，已經發展了大量的新的測試方法與系統，然而對于一定的應用場合來說并非所有方法都能適用。要得到精確的測量值，必須基于材料的導熱系數范圍與樣品特征，選擇正確的測試方法。

基本理論與定義

熱量傳遞的三種基本方式是：對流，輻射與傳導。對流是流體與氣體的主要傳熱方式，對固態與多孔材料傳熱不起重要作用。

對于半透明與透明陶瓷材料，尤其在高溫情況下，必須考慮輻射傳熱。除了材料的光學性質外，邊界狀況亦能影響傳熱。關于輻射傳熱方式的詳細介紹見文獻一(1)。

對于陶瓷材料而言傳導是最重要的傳熱方式。熱量的傳導基于材料的導熱性能——其傳導熱量的能力(2)。厚度為 x 的無限延伸平板熱傳導可用 Fourier 方程進行描述（一維熱傳遞）：

                 Q = -λ·△T／△x

Q 代表單位表面積在厚度(△x)上由溫度梯度(△T)產生的熱流量。兩個因子都與導熱系數（λ）相關聯。在溫度梯度與幾何形狀固定(穩態)的情況下，導熱系數代表了需要多少能量才能維持該溫度梯度。

在對建筑材料（如磚）與絕熱材料進行表征時，經常用到 k 因子。k 因子與材料的導熱系數和厚度有關。

                 k – value = λ/ d

這一因子并不能用來鑒別材料，而是決定最終產品厚度的決定因素。

現代電子元件與陶瓷散熱器上通常發生的是動態（瞬時）過程。需要更復雜的數學模型描述這些動態熱傳遞現象，在此不做討論。

測量裝置

如今測量導熱系數的方法與儀器有許多種。使用 Fourier 方程所描述的穩態條件的儀器主要適用于在中等溫度下測量中低導熱系數材料。使用動態（瞬時）方法的儀器，如熱線法或激光散射法，用于測量高導熱系數材料與／或在高溫條件下測量。

穩態方法

熱流法導熱儀：

將厚度一定的方形樣品（通常長寬各 30cm，厚 10cm）插入于兩個平板間，設置一定的溫度梯度。使用校正過的熱流傳感器測量通過樣品的熱流，傳感器在平板與樣品之間和樣品接觸。測量樣品厚度、溫度梯度與通過樣品的熱流便可計算導熱系數。

圖1 示出了一種新型的熱流法導熱儀。樣品的厚度可達到 10cm，長與寬為 30 到 60cm 之間。這種儀器能測量導熱系數在 0.005 到 0.5W/m·K 之間的材料，通常用于確定玻璃纖維絕熱體或絕熱板的導熱系數與 k 因子。選用不同類型的儀器，能夠在 -20℃ 到 100℃ 之間測量。該方法的優點是易于操作，測量結果精確，測量速度快，但是溫度與測量范圍有限。

保護熱流法導熱儀：

對于較大的、需要較高量程的樣品，可以使用保護熱流法導熱儀。其測量原理幾乎與普通的熱流法導熱儀相同。不同之處是測量單元被保護加熱器所包圍，因此測量溫度范圍和導熱系數范圍更寬。

圖2 是保護熱流法導熱儀對多孔混凝土和大理石樣品在 45℃ 與 65℃ 下導熱系數的測量結果。很明顯這兩種材料的導熱系數都隨溫度升高而降低。多孔混凝土的導熱系數比致密的大理石材料小得多。由于該大理石樣品的導熱性能比較好，該大理石適合于作為房間里的地板加熱系統。

保護熱板法導熱儀：

熱板法或保護熱板法導熱儀的工作原理和使用熱板與冷板的熱流法導熱儀相似。保護熱板法的測量原理如圖3 所示。熱源位于同一材料的兩塊樣品中間。使用兩塊樣品是為了獲得向上與向下方向對稱的熱流，并使加熱器的能量被測試樣品完全吸收。測量過程中，精確設定輸入到熱板上的能量。通過調整輸入到輔助加熱器上的能量，對熱源與輔助板之間的測量溫度和溫度梯度進行調整。熱板周圍的保護加熱器與樣品的放置方式確保從熱板到輔助加熱器的熱流是線性的、一維的。輔助加熱器后是散熱器，散熱器和輔助加熱器接觸良好，確保熱量的移除與改善控制。測量加到熱板上的能量、溫度梯度及兩片樣品的厚度，應用 Fourier 方程便能夠算出材料的導熱系數。

相比熱流法，保護熱板法的優點是溫度范圍寬（-180 到 650℃）與量程廣（最高可達 2W/m·K）。此外，保護熱板法使用得是絕對法——無需對測量單元進行標定。

圖4 是玻璃纖維材料的導熱系數與其組裝密度之間的關系。我們可以清楚地看到隨著密度的降低，導熱系數上升。這是因為輻射與／或對流傳熱的增強。在密度 18kg/m3 這一點，導熱系數達到最低點，是這一材料的最佳裝填密度。當密度超過 18kg/m3 時，導熱系數重新上升。此時，纖維本身的導熱性能更加占主導地位。