萌探探探案

热物性实验室样品尺寸一览

发(fa)布时(shi)间:2020-03-11

热导(dao)率测量方法和试样(yang)尺寸

    不(bu)久前(qian)的(de)用(yong)户满意度(du)调查中,有人建议汇(hui)总不(bu)同热导(dao)测量方法的(de)试样尺寸,所以写(xie)了(le)这篇小文章,即是(shi)梳(shu)理也算是(shi)对用(yong)户的(de)回应(ying)。

    几(ji)乎一切技(ji)术领域(yu)都(dou)会涉及(ji)热(re)(re)现象,而热(re)(re)导(dao)(dao)(dao)率是最基(ji)本和重要的(de)(de)(de)(de)热(re)(re)物性参数(shu)。在过(guo)去的(de)(de)(de)(de)几(ji)十(shi)年中,已发展了大量(liang)的(de)(de)(de)(de)导(dao)(dao)(dao)热(re)(re)系数(shu)测量(liang)方(fang)法。然而,到目前为止依然没有一种(zhong)方(fang)法能够适(shi)合(he)各种(zhong)材料(liao)(liao)和各种(zhong)应(ying)用(yong)(yong)场合(he)。要获得准确实(shi)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)测量(liang)数(shu)据,必须根据材料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)导(dao)(dao)(dao)热(re)(re)特性和应(ying)用(yong)(yong)领域(yu)选择合(he)适(shi)的(de)(de)(de)(de)方(fang)法。经过(guo)近(jin)几(ji)年的(de)(de)(de)(de)持续建设(she),实(shi)验室目前已可建立了大部分常(chang)见的(de)(de)(de)(de)热(re)(re)导(dao)(dao)(dao)率测量(liang)方(fang)法,可实(shi)现固体、液体、粉末以及(ji)薄膜等各类材料(liao)(liao)不同温度下(xia)的(de)(de)(de)(de)热(re)(re)导(dao)(dao)(dao)率测量(liang)。
     按照(zhao)测(ce)量原(yuan)理划分(fen),热导率测(ce)量方(fang)法可分(fen)为稳态(tai)法和瞬态(tai)法。稳态测(ce)量(liang)(liang)方法是指(zhi)待测(ce)试样上温(wen)度(du)分(fen)布达到稳定后(hou)进(jin)行测(ce)量(liang)(liang),其分(fen)析的(de)出发点(dian)是稳态的(de)导热(re)微分(fen)方程,可以(yi)直接测(ce)量(liang)(liang)热(re)导率(lv)。特点(dian)是计算简单、实验时间长、需要(yao)测(ce)量(liang)(liang)导热(re)量(liang)(liang)和若(ruo)干点(dian)温(wen)度(du),主要(yao)适合于中低热(re)导率(lv)材料的(de)测(ce)量(liang)(liang)。

保护平板法

该方(fang)法发展的很早,相关(guan)标准(zhun)有(you)ISO 8302,ASTM C177以及我国的(de)GB/T 10294。该(gai)方法是一种绝对的(de)测量方法,误差小,适合于绝热材料的(de)测量。
 测试仪器(qi):NETZSCH GHP 456
 试样尺寸:300mm  300mm,厚(hou)度25mm(最(zui)大100mm),需(xu)要两块样(yang)品
 温度范(fan)围:-160℃-250 ℃
 热(re)导率(lv)测量范围:0.001-2W/mK

热流计法

热(re)流(liu)计法(fa)是一种基于一维稳态导热(re)原理的比较法(fa),使用校正过的热(re)流(liu)传(chuan)感器测量通过样(yang)品(pin)的热(re)流(liu),传(chuan)感器在平板(ban)与(yu)样(yang)品(pin)之(zhi)间和(he)样(yang)品(pin)接触。该方法(fa)的相关标准有ISO 8301,ASTM C518以及我国(guo)的GB/T 10295。
 测试仪(yi)器(qi):NETZSCH HFM 446
 试样尺(chi)寸:200mm  200mm,厚度(du)25mm(最(zui)大50mm),需要一块样品
 温度(du)范围(wei):-20℃-80 ℃
 热导率测(ce)量范围:0.001-2W/mK

保护(hu)热流计法

需(xu)要较高量(liang)程的样品,可以使用保护热(re)流计法测定,该法原理与(yu)热(re)流计法相似,不同之(zhi)处是用在周(zhou)围包上绝热(re)材(cai)料和保护层,从而保证(zheng)了(le)样品测试区(qu)域的一维(wei)热流,提高(gao)了(le)测试范围。相(xiang)关标(biao)准为(wei)ASTM E1530。
 测(ce)试仪器:TA DTC 300
 试样尺寸(cun):50mm ,厚度1-20mm,固(gu)体(ti)、液体(ti)、粉末、薄膜
 温(wen)度范(fan)围:-20℃-300 ℃
 热导率测量范围:0.1-30W/mK

瞬态测(ce)量(liang)(liang)方(fang)法(fa)是(shi)近几十(shi)年发(fa)展出的(de)热导(dao)率测(ce)量(liang)(liang)方(fang)法(fa),利(li)(li)用非稳态导(dao)热微(wei)分方(fang)程(cheng),测(ce)量(liang)(liang)温(wen)度随时间(jian)的(de)变(bian)化(hua),通(tong)过这种变(bian)化(hua)来直接推算(suan)热导(dao)率,或得(de)到(dao)热扩散系数(shu)后利(li)(li)用试样的(de)密(mi)度、比热来间(jian)接计算(suan)导(dao)热系数(shu)。这种测(ce)量(liang)(liang)方(fang)法(fa)的(de)特点是(shi)测(ce)量(liang)(liang)时间(jian)短、操作方(fang)便、对环境要(yao)求低(di)、测(ce)量(liang)(liang)温(wen)度范围广以(yi)及样品尺寸小等。

瞬态平面(mian)热源(yuan)法

瞬态平面热源法(TPS)是(shi)由瑞典Chalmers University of Technology的(de)S.Gustafsson教(jiao)授(shou)在热(re)(re)(re)线法(fa)(fa)的(de)基础(chu)上发展起来的(de)一(yi)(yi)项技(ji)术,也称(cheng)HotDisk法(fa)(fa)。相关标准是(shi)ISO 22007-2,国内(nei)2015年发布了GB/T 32064-2015 建筑(zhu)用(yong)材(cai)(cai)(cai)料(liao)导(dao)热(re)(re)(re)系数和(he)热(re)(re)(re)扩(kuo)散系数瞬态平面热(re)(re)(re)源(yuan)测(ce)试(shi)法(fa)(fa)。这种方(fang)法(fa)(fa)对样(yang)品尺寸不(bu)挑剔,可以(yi)方(fang)便(bian)的(de)测(ce)试(shi)0.01W/mK-500W/mK范围内(nei)的(de)大(da)部分材(cai)(cai)(cai)料(liao),如薄膜、绝热(re)(re)(re)材(cai)(cai)(cai)料(liao)、硅胶、建筑(zhu)材(cai)(cai)(cai)料(liao)、岩土、复合(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao)、金属合(he)金等,配合(he)温度(du)箱和(he)高温炉(lu)后(hou)堪称(cheng)热(re)(re)(re)导(dao)率(lv)测(ce)量的(de)一(yi)(yi)大(da)利器。
 测试仪器:HotDisk TPS2500s
 试(shi)样尺寸:常规模式一般要求50mm ,厚度20mm,需要两块样(yang)品(pin)(最小尺寸30mm 30mm,厚度10mm)
 Slab模式(shi) 80mm  80mm,厚度 0.2mm-5mm(高导材料),需要两(liang)块样品
  薄膜50mm,厚度<0.5mm,需要(yao)两片样(yang)品
  液体 200ml
 温度范围:-20℃-150 ℃
 热导率(lv)测量(liang)范围:0.01-500W/mK

闪(shan)光法

Parker等于1961年提(ti)出并研制成功(gong)激(ji)光闪(shan)光法测(ce)量(liang)材料(liao)热物(wu)性以(yi)来,这种方法发展迅速,它(ta)要求(qiu)的样品尺(chi)寸较小,温度测(ce)量(liang)范围宽广,可测(ce)量(liang)除绝热材料(liao)以(yi)外的绝大部分材料(liao),特别适合(he)于中高(gao)导(dao)热系数材料(liao)的测(ce)量(liang)。相关标准为ASTM E 1461和GB/T 22588-2008。但必须看到(dao),闪(shan)光法的直接测(ce)量(liang)量(liang)是热扩散(san)率,因(yin)此热导(dao)率的准确与否与比(bi)热的测(ce)量(liang)准确性具有(you)相当大关系。
 测(ce)试仪器:NETZSCH LFA 457/ LFA 467
 试样尺寸(cun):常(chang)规模式6mm ,8mm,10mm,12.5mm,6mm  6mm,10mm  10mm,厚度(du)1-2.5mm(取决于试样(yang)热(re)导(dao)率,高导(dao)的厚,低导(dao)的薄),需要一(yi)块样(yang)品;
  In-Plane 模(mo)式 25mm,厚度<1mm
  Laminar 模(mo)式 10mm  2mm 2mm,5-7根
 温度范围:-100℃-1000 ℃
 热导率测量(liang)范围:0.1-2000W/mK

    特殊(shu)测量模式以(yi)及实验室后续建立的微纳米(mi)薄膜热导测量系统留待下次介绍(shao)。

测量方法(fa)

试样尺寸(cun)

温度范围

热(re)导(dao)率测(ce)量(liang)范围

保(bao)护(hu)热板法

300mm  300mm,厚(hou)度25mm(最大100mm),两块(kuai)样品

-160℃-250 ℃

0.001-2W/mK

热流计法

200mm  200mm,厚度(du)25mm(最大50mm

-20℃-80 ℃

0.001-2W/mK

保护热流计法

50mm ,厚度1-20mm,固体、液体、粉末(mo)、薄膜

-20℃-300 ℃

0.1-30W/mK

瞬态平(ping)面热源法

 常规模式,两块(kuai)样品 ,50mm(最小30mm,厚度20mm(最小(xiao)10mm

Slab模式(shi), 80mm  80mm,厚度 0.2mm-5mmSlab模(mo)式用于高导材料)

 薄膜50mm,厚度<0.5mm

液体(ti) 200ml

-20℃-150 ℃

0.01-500W/mK

闪光(guang)法

常规(gui)模式6mm 8mm10mm12.6mm6mm  6mm10mm  10mm,厚度1-2.5mm(取决于试样热(re)导率(lv))

In-Plane 模式25mm,厚(hou)度<1mm

In-Plane 模(mo)式用(yong)于高导(dao)薄膜(mo))

Laminar 模式 10mm  2mm 2mm5-7

-100℃-1000 ℃

0.1-2000W/mK


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