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导热系数测试方法简介

作者: 编辑: 来源: 发布日期: 2019.03.28
信息摘要:
  新能源汽车行业,导热材料应用比较普遍。  导热系数是表征导热材料性能,优劣重要的参数之一,  也是使用者最为关注的技术指标。
   新能源汽车行业,导热材料应用比较普遍。 导热系数是表征导热材料性能,优劣重要的参数之一, 也是使用者最为关注的技术指标。



     导热系数的定义是: 在稳定传热条件下,1m厚的材料,两侧表面的温差为1度(K,℃),在1秒内(1s),通过1平方米面积传递的热量,单位为瓦/米·度(W/(m·K),此处为K可用℃代替)。


       材料的导热系数不仅与材料的物质种类有关,而且与它的微观结构、填料含量等有密切联系。在科学实验和工程设计中,所用材料的导热系数都需要用实验的方法精确测定。 导热系数的测定方法发展到现在已经有了许多种,它们有不同的适用领域、测量范围、精度、准确度和试样尺寸要求等,不同方法对同一样品的测量结果可能会有较大的差别,因此选择合适的测试方法是首要的。


       目前导热系数的测定方法分为稳态法和非稳态法两大类,具有各自不同的测试原理。在导热硅胶行业中,常见的测试方法是稳态热板法(参照标准:ASTM D5470),瞬态平面热源法(参照标准:ISO 22007-2)。


下文将为大家介绍上述两种测试方法以及使用的测试仪器。

 

一、ASTM D5470

 

薄型导热固态电绝缘材料热传输特性的标准测试方法


      该方法采用的是通常所说的稳态热流法,其测试原理是将一定厚度的样品置于上下两个平板间,对样品施加一定的热流量和压力,使用热流传感器测量通过样品的热流、测试样品的厚度、热板/ 冷板间的温度梯度,然后得出不同厚度下对应的热阻数据作直线拟合得出样品的导热系数。

这种方法的优点是:

①可以 测试产品的热阻与导热系数;

②特别适合模拟产品在实际工况下的使用状态。

缺点是:

①对产品的厚度有一定要求;

②接触热阻会影响测试结果;

③为了到达稳态,测试所需时间较长。

稳态热板法原理图

稳态热板法原理图

傅里叶定律:傅里叶定律

热阻:热阻计算公式


导热系数:导热系数计算公式

常用的测试设备如下:


AOKDRL-II型导热系数测试仪(图)

DRL-II型导热系数测试仪(图)

AOK DRL-III型导热系数测试仪(图)

DRL-III型导热系数测试仪(图)

AOK LW-9389型界面材料热阻及热传导系数仪(图)

LW-9389型界面材料热阻及热传导系数仪(图)


 

二、ISO 22007-2-2008 塑料

 

热传导率和热扩散率的测定

        瞬态平面热源法(TPS)是目前研究材料导热性能的方法中最方便、精确的一种,由热线法改进而来。这种方法采用一个瞬间热平面探头(Hot Disk探头),我们也将其称之为Hot Disk法。Hot Disk探头由热阻性材料镍制成,包覆有绝缘材料(聚酰亚胺,云母等),探头带自加热功能。


        这种方法的原理是,将带有自加热功能的温度探头放置于样品中,测试时在探头上施加一个恒定的加热功率,使其温度上升。镍的热电阻系数— 温度和电阻的关系呈线性关系,即可通过了解电阻的变化可以知道热量的损失,从而反映样品的导热性能。然后测量探头本身和与探头相隔一定距离的圆球面上的温度随时间上升的关系,通过数学模型拟合同时得到样品的导热系数和热扩散系数。

AOK 图 包覆聚酰亚胺的Hot Disk 探头

图 包覆聚酰亚胺的Hot Disk 探头

Hot Disk 固体样品放置示意图 AOK

Hot Disk 固体样品放置示意图

这种方法的优点是:

①能够同时测量热导率、热扩散率以及单位体积的热容;

②测试范围广(0.005~500W/m· K)、精度高(±3%)、重复性好 (±1%)、测量时间短(单次测量 3~5min)和操作简便;

③可测试的样品种类多(液体、粉末、凝胶、高分子、复合材料等 );

④不受接触热阻的影响,其测试结果更贴近于材料本身的导热系数。

  缺点是此方法适用于测均质材料的导热系数,不适合用于测各向异性材料(如石墨片 )。

典型的测试设备是瑞典的Hot Disk导热测试仪

图 Hot Disk导热测试仪 AOK

图 Hot Disk导热测试仪



  导热系数是材料本身的参数,与形状大小无关。目前已有大量的导热测试方法,但没有任何一种方法能适用于所有产品、所有场合。产品品特性、测试标准、测试环境等都会对导热系数的结果产生影响。材料的导热系数不能用不同测试方法得到的数据进行对比。要得到准确和有参考意义的结果,必须选择合适的测试方法进行测量。


最后附上我们整理的一些测试导热系数的标准方法:

一、稳态法

GB/T 3651-2008 金属高温导热系数测量方法

GB/T8722-2008 石墨材料中温导热系数测定方法

GB/T 10294-2008 绝热材料稳态热阻及有关特性的测定——防护热板法

GB/T10295-2008 绝热材料稳态热阻及有关特性的测定——热流计法

GB/T 10296-2008 绝热层稳态传热性质的测定——圆管法

GB/T 17357-2008 设备及管道绝热层表面热损失现场测定——热流计法

YBT4130-2005 耐火材料导热系数试验方法 水流量平板法


ASTM C177-10 用护热板法仪器测定稳态热流和传热性能的标准测试方法

ASTMC182-1998 隔热耐火砖导热系数标准测试方法

ASTM C201-1998 耐火材料导热系数标准测试方法

ASTM C202-1998 耐火砖导热系数标准测试方法

ASTM  C335-05a 卧式隔热管稳态传热特性标准测试方法

ASTM C518-04 用热流计装置的稳态热传输性能标准测试方法

ASTM C680-08 采用计算机程序估算板状、柱状和球状系统表面温度和热量增减的标准操作规范

ASTM  C687-07 酥松填充式建筑隔热材料热阻测量的标准操作规范

ASTM  C1043-06 防护热板法设计中采用环形线加热源标准操作规范

ASTM  C1044-07 在单试样模式中采用保护热板装置或薄加热器装置的标准操作规范

ASTM  C1113-2004 热线法(铂电阻温度计技术)耐火材料导热系数标准测试方法

ASTM C1114-06 用薄加热器装置的稳态热传输性能标准测试方法

ASTM D5470-2012 薄型导热固态电绝缘材料热传输特性的标准测试方法

ASTM D6744-01 采用保护热流计技术测定阳极碳热导率标准试验方法

ASTM  E1225-04 采用保护比较式纵向热流技术测定固体热导率标准试验方法

ASTM  E1530-06 采用防护热流计技术评价材料热阻的标准测试方法

ASTM  F433-02 垫片类材料热导率评价标准规程


二、瞬态法

GJB 1201.1-1991 固体材料高温热扩散率试验方法 激光脉冲法

GB/T 5990-2006 耐火材料 导热系数试验方法 热线法

GBT  10297-1998非金属固体材料导热系数测定方法

GBT 22588-2008 闪光法测量热扩散系数或导热系数


ASTM C714-05 热脉冲法测量碳和石墨热扩散率标准试验方法

ASTM C5334-00 热探针法确定土壤和软岩石导热系数的的标准测试方法

ASTM  D5930-01 采用瞬态线热源技术确定塑料导热系数的标准测试方法


ISO  13826-2013 金属及其他无机涂层-通过激光脉冲法测定热喷涂陶瓷涂层的热扩散率

ISO-DIS  18555 2014 金属和其它无机涂层——热障涂层热导率的测定

ISO-FDIS 18755-2004 精制陶瓷(先进陶瓷、先进技术陶瓷)——采用激光闪光法测定陶瓷片热扩散率

ISO 22007-2-2008 塑料.热传导率和热扩散率的测定.第2部分 瞬态平面热源法


三、准稳态法

ASTM E2584-07 用热容量热计(插片式)测量材料热导率标准实施规程


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