導(dǎo)熱系數(shù)是一項關(guān)鍵的熱物理特性，不僅揭示了材料的熱傳導(dǎo)性能，還是評估其保溫效果的主要參數(shù)，對工程設(shè)計的各個方面都具有重要的影響。依據(jù)機(jī)理不同，導(dǎo)熱系數(shù)測試方法主要有兩種類型：穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法在達(dá)到熱平衡條件下測量，而瞬態(tài)法是在材料溫度變化過程中進(jìn)行測量。本文通過分析幾種常見導(dǎo)熱系數(shù)測試方法的優(yōu)劣勢及適用場景，旨在幫助實驗人員選擇適合的測試技術(shù)。

一、穩(wěn)態(tài)法

穩(wěn)態(tài)法基于傅立葉導(dǎo)熱定律，保持樣品的溫度梯度不變，形成穩(wěn)態(tài)傳熱，借助可直接測量物理量，如樣品厚度、溫度差、熱流量和計量面積等，得到通過樣品的熱流密度，再計算出材料的導(dǎo)熱系數(shù)。其優(yōu)點在于它可以提供非常精確和可靠的數(shù)據(jù)，特別適用于低至中等導(dǎo)熱系數(shù)的材料。然而，穩(wěn)態(tài)法的主要缺點是測試周期較長，因為需要等待材料達(dá)到熱平衡狀態(tài)，這在高溫測試中尤其明顯。此外，為了減少邊緣效應(yīng)的影響，試驗裝置通常較大，且對試樣尺寸有較高要求。

常見的穩(wěn)態(tài)法包括防護(hù)熱板法、熱流計法、防護(hù)熱流計法和熱流法。

1.1 防護(hù)熱板法

防護(hù)熱板法（Guarded Hot Plate Method，GHP）作為測試材料導(dǎo)熱系數(shù)的絕對法或仲裁法，是目前gong認(rèn)準(zhǔn)確度zui高的方法，可用來標(biāo)定基準(zhǔn)樣品或熱流計。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 10294-2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定 防護(hù)熱板法》、ASTM C177-19《用護(hù)熱板儀器法測定穩(wěn)態(tài)熱通量和熱傳遞特性的試驗方法》及ISO 8302:1991《絕熱穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定 防護(hù)熱板法》。

防護(hù)熱板法包括雙試件防護(hù)板和單試件防護(hù)板兩種（見圖1），雙試件防護(hù)板熱板法通過對稱地放置兩個相同的試件在中央加熱板的兩側(cè)來測量材料的導(dǎo)熱系數(shù)，中央加熱板提供恒定熱源，并配備防護(hù)板來保持熱流的一致性，最大限度地減少邊緣損失，從而確保熱流均勻地穿過試件的中心。每個試件的外側(cè)都有一個冷卻板，以形成所需的溫度梯度。在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)平衡后，通過熱板加熱功率和溫度差用于計算導(dǎo)熱系數(shù)，這種設(shè)計減少了單試件測試的不確定性。根據(jù)傅立葉導(dǎo)熱定律，在一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱條件下，導(dǎo)熱系數(shù)計算方法如式（1）所示：

式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)；A為熱板面積（m2）；Th為熱板溫度（K）；Tc為冷板溫度（K）；Q為計量單元加熱量（W）；d為試樣厚度（m）。

圖1 防護(hù)熱板法裝置示意圖

防護(hù)熱板法適用于測試較厚或均勻的材料的低導(dǎo)熱材料，導(dǎo)熱系數(shù)范圍在0~2W/(m·K)之間。其優(yōu)點包括高準(zhǔn)確度和良好的重復(fù)性，由于實驗在受控環(huán)境中進(jìn)行，可精確控制環(huán)境變量，有效避免熱損失，實驗誤差很小，同時可進(jìn)行高溫測試。不過缺點也較為明顯，包括測試周期長，設(shè)備成本高，對樣本尺寸有較大要求。

1.2 熱流計法

由于防護(hù)熱板造價昂貴且需要穩(wěn)定的時間過長，通常采用防護(hù)熱板法來校正熱流計，然后采用熱流計來代替熱板進(jìn)行熱流密度的測量，這就是熱流計法（Heat Flow Meter Method，HFM）。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 10295-2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定 熱流計法》、ASTM C518-17《采用熱流計儀器法測定穩(wěn)態(tài)熱傳遞特性的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》和ISO 8301:1991《絕熱穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定 熱流計法》。

熱流計法測試原理（見圖2）和防護(hù)熱板法相似，具體是將樣品放置于兩片平板之間，兩片平板維持一定的溫差，使用經(jīng)過標(biāo)定的熱流傳感器測量穿過樣品的熱流，達(dá)到熱平衡之后采集最終數(shù)據(jù)，測量僅使用樣品中心的區(qū)域，計算方法與公式（1）類似。

圖2 熱流計法裝置示意圖

熱流計法適用于絕熱保溫材料的測試，導(dǎo)熱系數(shù)測試范圍在0.002W/(m·K)~2W/(m·K)之間，在中低溫測試時兩側(cè)熱損影響很小，可作為防護(hù)熱板法的替代方法。由于未配備防護(hù)熱板，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間更快，測試時間更短，裝置相對簡單，測量樣品的尺寸范圍也更大，同時可拓展至低溫和高真空環(huán)境下測量。相較于防護(hù)熱板法，其測試準(zhǔn)確度會略低一點且無法進(jìn)行高溫測試，由于不直接測量熱量（功率）參數(shù)，是一種相對法，測試前熱流計需進(jìn)行標(biāo)定（使用標(biāo)準(zhǔn)樣品），這也是誤差來源之一。

1.3 防護(hù)熱流計法

當(dāng)測試更高導(dǎo)熱系數(shù)樣品時，例如玻璃，陶瓷和部分金屬材料，樣品熱阻較小，側(cè)向的熱損增大，測試時樣品及冷熱板需要加熱防護(hù)，在熱流計法基礎(chǔ)上改進(jìn)后即為防護(hù)熱流計法（Guarded Heat Flow Meter Method，GHFM）。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有ASTM E1530-11《采用防護(hù)熱流計技術(shù)評價材料熱阻的標(biāo)準(zhǔn)測試方法》。

防護(hù)熱流計法基本原理（見圖3）是將樣品插入于兩個平板間并設(shè)置一定的溫度梯度，四周配有熱保護(hù)爐，以保證測試區(qū)域內(nèi)的熱流盡可能均勻，并且防止熱量沿邊緣逃逸。使用校正過的熱流傳感器測量通過樣品的熱流，從而計算其導(dǎo)熱系數(shù)。

圖3 防護(hù)熱流計法裝置示意圖

防護(hù)熱流計法適用導(dǎo)熱系數(shù)在0.1W/(m·K)~40W/(m·K)之間的樣品，熱阻在10~400*10-4范圍內(nèi)，直徑為50mm左右，樣品上下面的溫差在5℃~10℃左右，可模擬不同加載力下的樣品導(dǎo)熱系數(shù)測試。由于樣品熱阻較低，要考慮界面熱阻的影響，因此測試前需用已知熱阻的標(biāo)樣進(jìn)行標(biāo)定，樣品熱阻越低，測試結(jié)果的準(zhǔn)確度也越低。

1.4 熱流法

當(dāng)樣品厚度更?。◣资綆装賯€微米），這時樣品熱阻和界面熱阻基本一致，柱體熱流法（Cylindrical Heat Flow Method，CHF），簡稱熱流法，是合適的測試方法。熱流法主要用來測量熱界面材料（TIMs）如導(dǎo)熱界面墊/膏、相變材料等的熱阻和總熱阻導(dǎo)率（總熱傳導(dǎo)系數(shù)），相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有ASTM D5470-2012《薄型導(dǎo)熱固態(tài)電絕緣材料熱傳輸特性的標(biāo)準(zhǔn)測試方法》。

熱流法測試時將待測樣品放置于上下兩個已知導(dǎo)熱系數(shù)較大的金屬棒之間，施加一定作用力使金屬棒端部貼緊試樣，減少接觸界面間的空氣間隙和接觸熱阻。由熱板提供可控制的輸入熱量，經(jīng)過金屬棒→試樣→金屬棒。根據(jù)金屬棒內(nèi)等間距測溫來測量熱流，并推算出接觸界面的溫度差，以此計算樣品熱阻，最后利用熱阻和厚度的比值計算導(dǎo)熱系數(shù)，如圖4所示。

圖4 熱流法裝置示意圖

熱流法廣泛應(yīng)用于評估電子設(shè)備的熱管理材料，適用于均質(zhì)及非均質(zhì)導(dǎo)熱電絕緣熱界面材料的等效熱傳導(dǎo)系數(shù)與熱阻抗測試，它對不同厚度的材料具有適應(yīng)性，且允許在不同的溫度和壓力條件下進(jìn)行測量，使其能夠模擬實際應(yīng)用環(huán)境。

二、瞬態(tài)法

瞬態(tài)法是一種用于測量材料導(dǎo)熱系數(shù)的現(xiàn)代技術(shù)，通過短時間內(nèi)對材料施加熱量并觀察其熱響應(yīng)來計算熱導(dǎo)率。這種方法的優(yōu)點包括測試速度快，不需要等待材料達(dá)到熱平衡，針對小樣本以及非均質(zhì)或各向異性材料也非常有效，也適用于現(xiàn)場測試和快速篩選。不過瞬態(tài)法在數(shù)據(jù)處理和分析上相對復(fù)雜，對實驗操作的精確性和重復(fù)性要求較高，且在某些情況下可能因熱損失或系統(tǒng)噪聲而導(dǎo)致精度不足。

常見的瞬態(tài)法包括激光閃射法、瞬態(tài)平面熱源法和熱線法。

2.1 激光閃射法

激光閃射法（Laser Flash Method，LFA）是一種快速且非接觸的測試技術(shù)，是測試材料熱擴(kuò)散系數(shù)的絕對方法。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 22588-2008《閃光法測量熱擴(kuò)散系數(shù)或?qū)嵯禂?shù)》、ASTM E1461-01《閃光法測定熱擴(kuò)散系數(shù)試驗方法》和ISO 22007-4:2017(E)《塑料熱導(dǎo)率及熱擴(kuò)散率測定 激光閃射法》。

激光閃射法的原理（見圖5）是用激光器向厚度為L的圓形薄試樣表面發(fā)出一個能量為Q的熱脈沖，同時測量并記錄試樣背面的溫度響應(yīng)T(L，t)，根據(jù)非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程的數(shù)學(xué)模型，即可確定試樣的熱擴(kuò)散率。熱擴(kuò)散率計算公式如下：

t0.5是背面溫度達(dá)到其最高溫度的一半所需的時間。結(jié)合熱擴(kuò)散率與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系，即可得到導(dǎo)熱系數(shù)。

式中，ρ為密度，c為比熱容。

圖5 激光法測試裝置示意圖

激光閃射法能在幾秒到幾分鐘內(nèi)完成對小樣本尺寸的測量，特別適合于昂貴或難以生產(chǎn)的材料，以及高溫環(huán)境下的測試，適用對象包括固體、液體、膏體和粉末材料等。但是它只能反映樣品厚度方向上的熱導(dǎo)率，對各向異性材料無法提供準(zhǔn)確測試；其次數(shù)據(jù)解析相對復(fù)雜，依賴于熱擴(kuò)散理論，需要專業(yè)知識和軟件來分析數(shù)據(jù)；同時對樣品制備要求較高，需要有良好的平面和恰當(dāng)?shù)某叽纭?/span>

2.2 瞬態(tài)平面熱源法

瞬態(tài)平面熱源法（Transient Plane Source Method，TPS）是一種絕對測量方法，無需重復(fù)校準(zhǔn)或使用標(biāo)準(zhǔn)樣品，它由瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的Silas Gustafsson教授在熱線法的基礎(chǔ)上研發(fā)而來。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 32064-2015《建筑用材料導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)瞬態(tài)平面熱源測試法》和ISO 22007-2:2022《塑料熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率的測定-瞬態(tài)平面熱源法》。

瞬態(tài)平面熱源法通過插入或?qū)⒓訜嵩N附于材料中，并監(jiān)測隨時間變化的溫度響應(yīng)來工作。相關(guān)裝置見圖6，利用熱阻性材料做成的一個平面的探頭，同時作為熱源和溫度傳感器。由于合金的熱阻系數(shù)-溫度和電阻的關(guān)系呈線性關(guān)系，即通過了解電阻的變化可以知道熱量的損失，從而反映了樣品的導(dǎo)熱性能。由于熱源與試樣間的接觸面積較大，減小了接觸熱阻，測試時受接觸熱阻影響很小，同時傳感器體積小，阻值高，具備較好的靈敏度和精準(zhǔn)度，可覆蓋10K~1000K的溫度測量區(qū)間；不過當(dāng)測量溫度高于1000K時，探頭的云母覆膜會發(fā)生玻璃化導(dǎo)致探頭失效，因此不適合超高溫條件下測試。

圖6 瞬態(tài)平面熱源法測試裝置示意圖

瞬態(tài)平面熱源法具有操作簡便、快速獲得結(jié)果的特點，對小樣本量和各向異性材料特別有效，且受外部環(huán)境影響較小。然而其測試準(zhǔn)確度易受到設(shè)備和操作技巧的限制，且樣品制備和傳感器位置對結(jié)果有重要影響。在常溫常壓測量條件下，導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散系數(shù)的測量誤差可控制在5%以內(nèi)，隨著溫度的升高，誤差會大幅度增大。

2.3 熱線法

熱線法（Hot Wire Method，HW）是基于常物性、均質(zhì)、具有相同初始溫度的無限大介質(zhì)，在受到恒定線熱源作用時，根據(jù)非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程測量材料熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率的測試方法。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 10297-2015《非金屬固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測定 熱線法》和ASTM D7896-19《用瞬態(tài)熱絲液體導(dǎo)熱法測定發(fā)動機(jī)冷卻劑和相關(guān)液體的導(dǎo)熱性、熱擴(kuò)散性和體積熱容量的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》。

基本原理是在樣品中插入一根恒定功率的線狀導(dǎo)電體，測量導(dǎo)電體本身或平行于導(dǎo)電體的一定距離上的溫度隨時間上升變化的關(guān)系來確定材料的導(dǎo)熱系數(shù)。測量導(dǎo)電體的溫升有多種方法，其中平行線法（見圖7）最為常見，測量與導(dǎo)電體隔著一定距離的一定位置上的溫升；交叉線法是用焊接在線狀導(dǎo)電體上的熱電偶直接測量熱線的溫升；熱阻法是利用線狀導(dǎo)電體（多為鉑絲）的電阻與溫度之間的關(guān)系測量熱線本身的溫升。

圖7 平行熱線法測試裝置示意圖

熱線法適用范圍寬，測量時間短，可有效避開樣品對流的影響，因其需少量樣本測試及設(shè)備簡便，可實現(xiàn)現(xiàn)場應(yīng)用或在線測試?，F(xiàn)熱線法已被廣泛應(yīng)用于各種低熱導(dǎo)率、顆粒狀材料和多孔材料的熱物性測量，成為我國測量非金屬材料標(biāo)準(zhǔn)之一。

三、總結(jié)

整體而言，穩(wěn)態(tài)法在測定低導(dǎo)熱材料的熱性能時展現(xiàn)出高準(zhǔn)確性和優(yōu)良重復(fù)性，但其應(yīng)用受限于較小的測試范圍和較窄的溫度域。該方法的測試周期較長，且對實驗環(huán)境的控制要求較高。相較之下，瞬態(tài)法因其廣泛的測試范圍、對不同材料的適應(yīng)性強(qiáng)、較寬的溫度域和較短的測試周期而受到青睞，其對測試環(huán)境的依賴性較低。然而，當(dāng)應(yīng)用于低導(dǎo)熱材料的測試時，瞬態(tài)法的準(zhǔn)確性和重復(fù)性通常無法達(dá)到穩(wěn)態(tài)法的水平。因此，在選擇適合的導(dǎo)熱系數(shù)測試方法時，應(yīng)仔細(xì)評估材料屬性、測試方法的特點、所用裝置的性能以及具體的測試需求等多個因素，以確?？茖W(xué)和技術(shù)上的精確性。

表1 常見導(dǎo)熱系數(shù)測試方法特點

表2 常見導(dǎo)熱系數(shù)測試方法優(yōu)劣勢及適用對象

四、儀器推薦