[科普中國]-導(dǎo)熱率

導(dǎo)熱率概念

導(dǎo)熱率：物體傳導(dǎo)熱量的能力，又稱為熱導(dǎo)率，導(dǎo)熱系數(shù)。其導(dǎo)出式來源于傅立葉定律，定義為單位溫度梯度在單位時間內(nèi)經(jīng)單位導(dǎo)熱面所傳遞的熱量。

傅里葉方程式：

Q=KA△T/d

R=△T/Q

式中：

Q：熱量W

K：熱導(dǎo)率W/m.k

A：接觸面積

d：熱量傳遞距離

△T：溫度差

R：熱阻值

不同成分的導(dǎo)熱率差異較大，導(dǎo)致由不同成分構(gòu)成的物料的導(dǎo)熱率差異較大。空氣為熱的不良導(dǎo)體，單粒物料的導(dǎo)熱性能好于堆積物料；

導(dǎo)熱率K是材料本身的固有性能參數(shù)，用于描述材料的導(dǎo)熱能力。這個特性跟材料本身的大小、形狀、厚度都是沒有關(guān)系的，只是跟材料本身的成分有關(guān)系。所以同類材料的導(dǎo)熱率都是一樣的，并不會因為厚度不一樣而變化。

相關(guān)定義導(dǎo)熱率是材料的熱物性參數(shù)之一，也是固體最重要的熱物性參數(shù)。低導(dǎo)熱性能材料導(dǎo)熱率作為表征建筑節(jié)能與保溫材料物性的重要參數(shù)，其參數(shù)值的準(zhǔn)確測量有著非常重要的理論和使用價值。

穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱導(dǎo)入物體的熱流量等于導(dǎo)出物體的熱流量，物體內(nèi)部各點(diǎn)溫度不隨時間而變化的導(dǎo)熱過程。

非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱導(dǎo)入和導(dǎo)出物體的熱流量不相等，物體內(nèi)任意一點(diǎn)的溫度和熱含量隨時間而變化的導(dǎo)熱過程，也稱為瞬態(tài)導(dǎo)熱過程。

熱阻將上面兩個公式合并，可以得到 K=d/R。因為K值是不變的，可以看得出熱阻R值，同材料厚度d是成正比的。也就說材料越厚，熱阻越大。

但如果仔細(xì)看一些導(dǎo)熱材料的資料，會發(fā)現(xiàn)很多導(dǎo)熱材料的熱阻值R，同厚度d并不是完全成正比關(guān)系。這是因為導(dǎo)熱材料大都不是單一成分組成，相應(yīng)會有非線性變化。厚度增加，熱阻值一定會增大，但不一定是完全成正比的線性關(guān)系，可能是更陡的曲線關(guān)系。

根據(jù)R=A△T/Q這個公式，理論上來講就能測試并計算出一個材料的熱阻值R。但是這個公式只是一個最基本的理想化的公式，他設(shè)定的條件是：接觸面是完全光滑和平整的，所有熱量全部通過熱傳導(dǎo)的方式經(jīng)過材料，并達(dá)到另一端。

實(shí)際這是不可能的條件。所以測試并計算出來的熱阻值并不完全是材料本身的熱阻值，應(yīng)該是材料本身的熱阻值+所謂接觸面熱阻值。因為接觸面的平整度、光滑或者粗糙、以及安裝緊固的壓力大小不同，就會產(chǎn)生不同的接觸面熱阻值，也會得出不同的總熱阻值。

所以國際上流行會認(rèn)可設(shè)定一種標(biāo)準(zhǔn)的測試方法和條件，就是在資料上經(jīng)常會看到的ASTM D5470。這個測試方法會說明進(jìn)行熱阻測試時候，選用多大的接觸面積A，多大的熱量值Q，以及施加到接觸面的壓力數(shù)值。大家都使用同樣的方法來測試不同 的材料，而得出的結(jié)果，才有相比較的意義。

通過測試得出的熱阻R值，并不完全是真實(shí)的熱阻值。物理科學(xué)就是這樣，很多參數(shù)是無法真正的量化的，只是一個“模糊”的數(shù)學(xué)概念。通過這樣的“模糊”數(shù)據(jù)，人們可以將一些數(shù)據(jù)量化，而用于實(shí)際應(yīng)用。 此處所說的“模糊” 是數(shù)學(xué)術(shù)語，“模糊”表示最為接近真實(shí)的近似。

而同樣道理，根據(jù)熱阻值以及厚度，再計算出來的導(dǎo)熱率K值，也并不完全是真正的導(dǎo)熱率值。

測量方法通常，根據(jù)導(dǎo)熱機(jī)理不同，導(dǎo)熱系數(shù)測量方法分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法（也叫做非穩(wěn)態(tài)法）兩大類。

穩(wěn)態(tài)法是經(jīng)典的保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)測定方法，至今仍受到廣泛應(yīng)用。其原理是利用穩(wěn)定傳熱過程中，傳熱速率等于散熱速率的平衡狀態(tài)，根據(jù)傅里葉一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模型，由通過試樣的熱流密度、兩側(cè)溫差和厚度，計算得到導(dǎo)熱系數(shù)。原理簡單清晰，精確度高，但測量時間較長，對樣品和環(huán)境條件要求較高。

保護(hù)熱板法護(hù)熱平板法1其工作原理和熱流法相似，是傳統(tǒng)方法之一，可用于基準(zhǔn)樣品的標(biāo)定和其他儀器的校準(zhǔn)，實(shí)驗裝置多采用雙試件結(jié)構(gòu)。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?qū)ΨQ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(shè)定輸入到熱板上的能量。通過調(diào)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(jìn)行調(diào)整。熱板周圍的保護(hù)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(yīng)用 Fourier方程便能夠算出材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

熱流計法熱流計法是一種比較法2，是用校正過的熱流傳感器測量通過樣品的熱流，得到的是導(dǎo)熱系數(shù)的絕對值。測量時，將厚度一定的樣品插入于兩個平板間，設(shè)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。測量樣品的厚度、上下板間的溫度梯度及通過樣品的熱流便可計算導(dǎo)熱系數(shù)。

熱線法熱線法是應(yīng)用比較多的方法，是在樣品中插入一根熱線。測試時，在熱線上施加一個恒定的加熱功率，使其溫度上升。測量熱線本身或平行于熱線的一定距離上的溫度隨時間上升的關(guān)系。由于被測材料的導(dǎo)熱性能決定這一關(guān)系，由此可得到材料的導(dǎo)熱系數(shù)。這種方法測量時間比較短，所測量材料的導(dǎo)熱系數(shù)范圍一般是 0.1W/mK 到幾十。熱線法在液體導(dǎo)熱系數(shù)測量的應(yīng)用中具有重要的作用，國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）發(fā)布的液體物理化學(xué)性質(zhì)推薦表中，以甲苯（toluene）、純水作為液體導(dǎo)熱系數(shù)測量的一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（CRM），而這些標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的一級參考數(shù)據(jù)均以熱線法獲得3。

激光閃射法激光閃射法4的測量范圍很寬，但測得的是材料的熱擴(kuò)散系數(shù)，還需要知道試樣的比熱和密度，才能通過計算得到導(dǎo)熱系數(shù)λ，而測定熱態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)還需要膨脹系數(shù)的數(shù)值，只適用于各向同性、均質(zhì)、不透光的材料；瞬變平面熱源法是在試件上貼上探頭，通過多元函數(shù)對試樣表面溫度的響應(yīng)進(jìn)行擬合后便可計算出材料的導(dǎo)熱系數(shù)，適用廣泛，快捷，但針對導(dǎo)熱系數(shù)的測量精確度不一定高。