导热系数测量方法-动态法

动态方法的优点主要在于所需时间短，可以在测量过程中确定各种热值。因此，这种方法以信号测量和可接受的小温差为基础。动态技术是通过评估信号传输到试样中产生热量后的反馈反应进行测量的。因此，对于动态方法，测试时间在几分钟或亚秒时间间隔内获得。由于样本中的信号和响应，该方法也更适用于高水分含量的材料。在许多情况下，可以通过只测量试样上一个位置的时间函数来代替两个相对表面的温度测量。

在动态法中，热线法和激光闪光法常用于测量不同材料的热导率。热线法的一个改进是热压条或圆盘技术，它可以应用于非导电的固体材料，以测量热扩散率和电导率。

1）热线法（THW）

热线技术包括将一根导电线（例如铂 (Pt) 或钽）浸入所研究的材料中，并让恒定电流通过它，使其在焦耳效应下被加热。

热线模型的示意图如下图所示。导线温度升高的速度取决于向周围材料传导的热耗散。因此，通过测量上述温升速度，可以得到材料的热导率。事实上，在液体的情况下，它已经成为标准参考。例如使用水银毛细管来测量冷媒混合物。

2）加热针探头法

它是热线法（THW）的一种延伸方法，其中细导线被更粗且更耐用的导线所取代。与 THW 相比，其更大的坚固性使其能够开发出商业设备。这种技术或设备特别适用于测量颗粒状材料，如粉末和土壤，天然材料，如石头和混凝土，甚至是食品的热导率。

以上是针探头的原理图和设计，这是由一根细小的空心金属针（直径3毫米）组成，包含一个独立的加热电阻和热敏电阻。然后，该针同时作为热源和温度探针。当针被加热时，它将向周围的材料传导热量。热传递的速度受材料的导热性以及其他因素的影响，如针的几何形状、输入到针的功率以及针和材料之间的热敏电阻。通过测量针周围的温度上升与时间的关系，以及了解针的几何形状和属性，可以用数学模型计算出材料的热导率。它经常被用于测量不均匀的样品，如岩石或土壤。

3）动态热条法

该方法包括将一个小的、薄的材料条（通常由具有高导热性的金属或聚合物制成）附着在被测样品的表面。使用短暂的电流脉冲对该条带进行加热，并使用位于条带上的温度传感器测量所产生的温度上升。

随着热量从板带转移到周围的材料，板带的温度随着时间的推移而降低。温度下降的速度由周围材料的导热性以及其他因素决定，如带材的厚度和特性。

通过测量作为时间函数的带材的温度衰减，以及了解带材的特性和系统的几何形状，可以用数学模型计算出样品的热导率。

动态热条法是一种非破坏性和非侵入性的技术，可用于测量薄膜或涂层的热导率，而不损坏样品。它可以在广泛的热导率范围内提供精确的测量，并且通常被用于研究和工业环境，以描述材料的热性能。

4）热盘法

动态平面源 (TPS) 技术是热条法的最新发展。它也被称为 Gustafsson 探针或热盘法。该技术旨在测量热导率和热扩散率。动态技术相对于稳态技术的优势在于在分析中消除了接触电阻的影响。该方法可确保在 30 至 1200 K 的温度范围内在 0.005 至 500 W/(m K) 的导热系数范围内进行准确测量。TPS 技术用于测量绝缘材料和导电材料的导热系数。热盘测量的主要优点是它可以快速产生结果（通常在 10 分钟内），并且可以使用不同尺寸的传感器来适应不同的样品类型。此外，

热盘法使用镀镍材料双螺旋形状的传感器。TPS 传感器由许多同心圆组成，这些同心圆被制成双螺旋，以便电流从一端流向另一端。薄的聚合物涂层材料用作螺旋上的电绝缘和传感器保护。最常见的涂层材料是 Kapton，用于测量 30 至 450 K 之间的温度范围，云母用于高达 1200 K 的更高温度，以及特氟隆。传感器既充当热源又充当温度计。源和温度计分别用于确定样品温度的变化和随时间变化的温度的增加。

传感器夹在两块试样之间，如下图所示。在测试过程中，电流通过镍螺旋并导致温度升高。产生的热量从两侧散发到整个试样。通过比较传感器中的温度与时间响应，可以准确计算热导率或扩散率。热盘原理图如下

5）激光闪光法

激光闪光法是确定固体热性质最常用的方法。该方法可以研究玻璃、金属和陶瓷的特性，而不会因可实现测量的不确定性而受到重大限制。可在-100 至约 3000°C 的温度范围内测量该特性。

在该方法中，将激光脉冲发送到样品的正面，并测量背面的温度变化。该方法是通过在试样正面用 1 ms 宽度的短激光脉冲加热试样来进行的。测量并确定其后侧的温度升高。激光闪光法原理图及原理如下

6）光热法

这一系列方法的原理是基于光诱导固态、液态或气态的材料的热态变化。当光被样品吸收时，温度、压力或密度发生变化，这可以被检测出来。有一些方法是样品与检测系统接触，还有一些方法涉及非接触遥感系统。这些方法的一个缺点是材料的光学特性很差，而这些特性是必要的。

测定材料的光学吸收和热特性的光热方法可根据所使用的检测技术进行分类。这些方法都是基于测量以下方面的变化:

●温度:温度变化通常通过接触测温法（例如，光电技术）、辐射测温法或量热法进行研究

●压力:压力变化是通过声学方法获得的

●密度:密度变化包括检测折射率的变化或表面的变形。最重要的技术是热透镜法、热波技术、光束偏转、折射或衍射方法

7）热比较法

该方法是基于观察，即当两种不同温度的材料在小范围内接触时，热量会从较热的物体转移到较冷的物体，这是材料的热导率的一个函数。因此，在接触点很早就达到了一个中间温度。接触温度取决于两种材料的导热性。这种技术被用来测量有机液体和液体混合物的热导率。

8）温度摆动法

动态方法的技术之一是温度摆动法。这种方法的基本原理是在轮廓线上应用周期性热源。这产生了沿其长度方向的样品位置的温度波动，其频率与应用热源相同。对温度波传播的振幅和相位的测量可以给出热物理特性的估计。

9）3ω法

被称为3ω法的方法通常用于测量薄膜和固体材料的热导率。一个频率为ω的角调制的交流电流通过导线。该导线同时作为加热器和温度计使用。这个过程产生的热量会扩散到试样中。由于金属加热器的电阻与温度成正比（线性），温度振荡可以通过测量相关的3ω电压来间接测量。

因为电流的驱动频率为ω，而电阻的变化频率为2ω，所以会产生一个3ω的电压。如下图所示，在试样上绘制了一条导电的细线。

10）Fitch法

由Fitch 开发的 Fitch 方法是通过使用平面热源来测量低热导率的材料。这种方法由两部分组成:一个热源和一个热接收器。热源是一个充满恒温液体的容器，作为水槽发挥作用。受热体是一个铜塞形式的水槽，除了面向容器的一面外，其他各面都是绝缘的。如果容器的温度低于铜块的温度，那么热源和热接收器的作用可以改变。试样被放置在容器和塞子的开放面之间。如下图所示，试样首先与铜块处于热平衡状态。容器在温差的作用下与试样接触。铜块的温度变化和容器底部的温度由热电偶测量。它被假设为具有均匀的温度分布。Fitch 方法的示意图如下

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