瞬態平面熱源法測試材料熱導率的影響因素分析

孟飛燕 張 玫 馬億珠 邱躍龍

(國家建筑裝修材料質量監督檢驗中心，河南 鄭州 450004)

0 前言

瞬態平面熱源法(TPS)［1］是由瑞典Chalmer 理工大學的Gustafsson 教授［2］在瞬態熱線法和瞬態熱帶法的基礎上首先提出來的，該方法也被稱為“Gustafsson”探頭法或Hot Disk法。可用于固體、粉末、液體、涂層、薄膜、各向異性材料等的測定。在過去20年中，瞬態平面熱源技術被越來越多地應用于各種不同類型材料的熱導率的測試。但國內對這種方法的研究只是簡要的說明測試方法和原理，在儀器的檢測精度方面未作深度的分析。因此，本文采用TPS 技術對常見的材料(礦棉板、EPS 泡沫板、不銹鋼塊)進行了測試，研究了含水率、樣品厚度、不同的測試環境(溫度、濕度)等對測試結果的影響。

1 試驗設計

1.1 試驗設備

TPS-2500 Hotdisk 熱常數分析儀，其工作系統包括數據自動收集、分析和顯示系統，此系統包含實驗操作軟件和與相對應溫度函數模型的實驗結果瞬態曲線的分析。

1.2 試驗方法

在測試材料的熱導率時，探頭夾于兩塊樣品之中(固體)或浸沒其中(粉末、液體)。在測試時間內，探頭的阻值變化將被一一記錄下來，基于阻值的大小系統建立起測試期間探頭所經歷的溫度隨時間的變化關系。

1.3 試驗條件

1.3.1 測試前需將探頭和試樣在測試環境中放置2～3個小時，使探頭和試樣與測試環境達到相同的溫度，以保證測試過程中試樣只與探頭發生熱量交換，即保證探頭的加熱作用是引起試樣溫度變化的唯一因素。

1.3.2 在測試前一個小時將數據采集系統打開，使之穩定，以減少系統本身因素而引起的誤差。

1.3.3 測量時間:一般是總的測量時間的50%到100%。

1.3.5 探頭半徑r0一般滿足1.1r0≤△P ≤2r0，即可認為選擇的探頭是合適的。

1.3.6 對于熱導率較小的材料選取低的輸出功率和較長的測試時間，而對于熱導率較大的材料選取高的輸出功率和較短的測試時間。

1.4 試驗方案

1.4.1 方案一:含水率對測試結果的影響

含水率對材料的熱導率有很大的關系，本方案測試了不同含水率的礦棉板來確定含水率對材料熱導率的影響。

將試樣烘干至恒重，測試其質量，然后將其放入高濕箱中直至吸水飽和，測試質量和熱導率;讓試樣在自然狀態下蒸發水分，每隔一定時間對測試其質量和熱導率，從而得出不同質量含水率條件下材料的熱導率。

1.4.2 方案二:樣品厚度對測試結果的影響

同一樣品尺寸大小不同，可能會對測試結果產生影響，本方案采用不同尺寸的EPS 泡沫板研究對測試結果產生的影響。

測試條件:室溫環境，探頭5501，8563。加熱功率0.005W，測試時間40S，測試前樣品經過20℃，50%調溫調濕處理48h。

1.4.3 方案三:測試環境對測試結果的影響

不同的測試環境(溫度、濕度)會對測量測量結果產生很大的影響，本方案中選擇了Hotdisk 公司提供的不銹鋼塊(SIS2343)以不同的溫濕度來確定這些因素對測量結果產生的影響。

試樣和探頭置于恒溫恒濕箱中，調節狀態。先固定濕度:溫度從10℃、20℃、30℃、40℃、50℃變化，測試材料的熱導率。然后固定溫度:濕度從40%、45%、50%、55%、60%、65% 變化，測試材料的熱導率。測試前試樣要在此環境條件下保持至狀態恒定后進行測試。注每一狀態下的熱導率為10 次測量的平均值。

2 試驗結果

2.1 方案一試驗結果

圖1 含水率與熱導率的關系

2.2 方案二試驗結果

圖2 試樣厚度對測試結果影響

2.3 方案三試驗結果

3 結果分析

3.1 含水率與熱導率測試結果的關系

從圖1 中可以看出隨著礦棉板含水率的增加，其熱導率也逐漸增大，這可能是由于水分進入礦棉板內部，一部分填充了礦棉板的內部空隙，使熱傳導更加的容易造成的。因此，由于含水率對材料的熱導率影響很大，我們在測試過程中要盡可能的標明材料的含水率。

3.2 樣品厚度與熱導率測試結果的關系

從圖2 中我們可以看出試樣厚度為20mm～50mm 時，試樣厚度對熱導率的測試基本上沒有影響，這是TPS 測試原理決定的，TPS 在測試過程中需要在產生的熱量到達被測試樣的外邊界前結束，要滿足探測深度，有經驗公式1.1r0≤△P ≤2r0，當我們選擇的5501 探頭r0= 6.403 滿足上述條件，在這種情況下樣品的厚度對測試結果是沒有影響的。當樣品厚度為10mm 時不能滿足上述條件，所以所得到的數據是不可信的，與真實值相差很遠。測試過程中一定要根據探測深度選擇合適的探頭，才能使檢測結果接近真實值。

3.3 測試環境與熱導率測試結果的關系

從圖3、圖4 中我們可以看出，溫度和濕度對測試結果有很大的影響。溫度升高，不銹鋼的熱導率升高;而濕度增大對不銹鋼的熱導率影響則不大。

因此，在測試過程中要嚴格控制實驗室的溫濕度，必要時要有溫濕度的詳細記錄，樣品要經過相應的調溫調濕處理后進行測試。

4 結束語

本文通過試驗分析研究了含水率、樣品厚度、不同的測試環境(溫度、濕度)等因素對材料熱導率測試的影響，可得出以下結論。

(1)試樣的含水率對測試結果影響很大，樣品在儲存和測試過程中要滿足所要達到的狀態。

(2)被測樣品的厚度要滿足測試的要求，要始終大于探頭的探測深度，使探頭產生的熱量到達被測試樣的外邊界前結束，以保證測試結果的準確度。

(3)溫濕度對有些材料的影響很大，在測試過程中要注明測試時的溫濕度情況，并且注明材料是否經過調溫調濕處理，試樣的狀態等。

［1］S.E.Gustafsson.Transient Plane Source Techniques for Thermal Conductivity and Thermal Diffusivity Measurements of Solid Materials［J］.Rev.Sci.Instrum.1991，62(3):797-804

［2］S.E.Gustafsson.Transient Hot-Strip Method for Simultaneously Measuring Thermal Conducting and Thermal Diffusivity of Solids and Fluids［J］.J.Appl.Phys.1979，12:1411-1422