导热系数测试指南：找到适合您的实验方法-之量科技

导热系数是一项关键的热物理特性，不仅揭示了材料的热传导性能，还是评估其保温效果的主要参数，对工程设计的各个方面都具有重要的影响。依据机理不同，导热系数测试方法主要有两种类型：稳态法和瞬态法。稳态法在达到热平衡条件下测量，而瞬态法是在材料温度变化过程中进行测量。本文通过分析几种常见导热系数测试方法的优劣势及适用场景，旨在帮助实验人员选择最适合的测试技术。

一、稳态法

稳态法基于傅立叶导热定律，保持样品的温度梯度不变，形成稳态传热，借助可直接测量物理量，如样品厚度、温度差、热流量和计量面积等，得到通过样品的热流密度，再计算出材料的导热系数。其优点在于它可以提供非常精确和可靠的数据，特别适用于低至中等导热系数的材料。然而，稳态法的主要缺点是测试周期较长，因为需要等待材料达到热平衡状态，这在高温测试中尤其明显。此外，为了减少边缘效应的影响，试验装置通常较大，且对试样尺寸有较高要求。

常见的稳态法包括防护热板法、热流计法、防护热流计法和热流法。

1.1 防护热板法

防护热板法（Guarded Hot Plate Method，GHP）作为测试材料导热系数的绝对法或仲裁法，是目前公认准确度最高的方法，可用来标定基准样品或热流计。相关标准有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》、ASTM C177-19《用护热板仪器法测定稳态热通量和热传递特性的试验方法》及ISO 8302:1991《绝热稳态热阻及有关特性的测定 防护热板法》。

防护热板法包括双试件防护板和单试件防护板两种（见图1），双试件防护板热板法通过对称地放置两个相同的试件在中央加热板的两侧来测量材料的导热系数，中央加热板提供恒定热源，并配备防护板来保持热流的一致性，最大限度地减少边缘损失，从而确保热流均匀地穿过试件的中心。每个试件的外侧都有一个冷却板，以形成所需的温度梯度。在系统达到稳态平衡后，通过热板加热功率和温度差用于计算导热系数，这种设计减少了单试件测试的不确定性。根据傅立叶导热定律，在一维稳态导热条件下，导热系数计算方法如式（1）所示：

式中：λ为导热系数；A为热板面积（m2）；Th为热板温度（K）；Tc为冷板温度（K）；Q为计量单元加热量（W）；d为试样厚度（m）。

图1 防护热板法装置示意图

防护热板法适用于测试较厚或均匀的材料的低导热材料，导热系数范围在0~2W/(m·K)之间。其优点包括高准确度和良好的重复性，由于实验在受控环境中进行，可精确控制环境变量，有效避免热损失，实验误差很小，同时可进行高温测试。不过缺点也较为明显，包括测试周期长，设备成本高，对样本尺寸有较大要求。

1.2 热流计法

由于防护热板造价昂贵且需要稳定的时间过长，通常采用防护热板法来校正热流计，然后采用热流计来代替热板进行热流密度的测量，这就是热流计法（Heat Flow Meter Method，HFM）。相关标准有GB/T 10295-2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 热流计法》、ASTM C518-17《采用热流计仪器法测定稳态热传递特性的标准试验方法》和ISO 8301:1991《绝热稳态热阻及有关特性的测定 热流计法》。

热流计法测试原理（见图2）和防护热板法相似，具体是将样品放置于两片平板之间，两片平板维持一定的温差，使用经过标定的热流传感器测量穿过样品的热流，达到热平衡之后采集最终数据，测量仅使用样品中心的区域，计算方法与公式（1）类似。

图2 热流计法装置示意图

热流计法适用于绝热保温材料的测试，导热系数测试范围在0.002W/(m·K)~2W/(m·K)之间，在中低温测试时两侧热损影响很小，可作为防护热板法的替代方法。由于未配备防护热板，达到稳态的时间更快，测试时间更短，装置相对简单，测量样品的尺寸范围也更大，同时可拓展至低温和高真空环境下测量。相较于防护热板法，其测试准确度会略低一点且无法进行高温测试，由于不直接测量热量（功率）参数，是一种相对法，测试前热流计需进行标定（使用标准样品），这也是误差来源之一。

1.3 防护热流计法

当测试更高导热系数样品时，例如玻璃，陶瓷和部分金属材料，样品热阻较小，侧向的热损增大，测试时样品及冷热板需要加热防护，在热流计法基础上改进后即为防护热流计法（Guarded Heat Flow Meter Method，GHFM）。相关标准有ASTM E1530-11《采用防护热流计技术评价材料热阻的标准测试方法》。

防护热流计法基本原理（见图3）是将样品插入于两个平板间并设置一定的温度梯度，四周配有热保护炉，以保证测试区域内的热流尽可能均匀，并且防止热量沿边缘逃逸。使用校正过的热流传感器测量通过样品的热流，从而计算其导热系数。

图3 防护热流计法装置示意图

防护热流计法适用导热系数在0.1W/(m·K)~40W/(m·K)之间的样品，热阻在10~400*10-4范围内，直径为50mm左右，样品上下面的温差在5℃~10℃左右，可模拟不同加载力下的样品导热系数测试。由于样品热阻较低，要考虑界面热阻的影响，因此测试前需用已知热阻的标样进行标定，样品热阻越低，测试结果的准确度也越低。

1.4 热流法

当样品厚度更薄（几十到几百个微米），这时样品热阻和界面热阻基本一致，柱体热流法（Cylindrical Heat Flow Method，CHF），简称热流法，是合适的测试方法。热流法主要用来测量热界面材料（TIMs）如导热界面垫/膏、相变材料等的热阻和总热阻导率（总热传导系数），相关标准有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》。

热流法测试时将待测样品放置于上下两个已知导热系数较大的金属棒之间，施加一定作用力使金属棒端部贴紧试样，减少接触界面间的空气间隙和接触热阻。由热板提供可控制的输入热量，经过金属棒→试样→金属棒。根据金属棒内等间距测温来测量热流，并推算出接触界面的温度差，以此计算样品热阻，最后利用热阻和厚度的比值计算导热系数，如图4所示。

图4 热流法装置示意图

热流法广泛应用于评估电子设备的热管理材料，适用于均质及非均质导热电绝缘热界面材料的等效热传导系数与热阻抗测试，它对不同厚度的材料具有适应性，且允许在不同的温度和压力条件下进行测量，使其能够模拟实际应用环境。

二、瞬态法

瞬态法是一种用于测量材料导热系数的现代技术，通过短时间内对材料施加热量并观察其热响应来计算热导率。这种方法的优点包括测试速度快，不需要等待材料达到热平衡，针对小样本以及非均质或各向异性材料也非常有效，也适用于现场测试和快速筛选。不过瞬态法在数据处理和分析上相对复杂，对实验操作的精确性和重复性要求较高，且在某些情况下可能因热损失或系统噪声而导致精度不足。

常见的瞬态法包括激光闪射法、瞬态平面热源法和热线法。

2.1 激光闪射法

激光闪射法（Laser Flash Method，LFA）是一种快速且非接触的测试技术，是测试材料热扩散系数的绝对方法。相关标准有GB/T 22588-2008《闪光法测量热扩散系数或导热系数》、ASTM E1461-01《闪光法测定热扩散系数试验方法》和ISO 22007-4:2017(E)《塑料热导率及热扩散率测定 激光闪射法》。

激光闪射法的原理（见图5）是用激光器向厚度为L的圆形薄试样表面发出一个能量为Q的热脉冲，同时测量并记录试样背面的温度响应T(L，t)，根据非稳态导热过程的数学模型，即可确定试样的热扩散率。热扩散率计算公式如下：

t0.5是背面温度达到其最高温度的一半所需的时间。结合热扩散率与导热系数的关系，即可得到导热系数。

式中，ρ为密度，c为比热容。

图5 激光法测试装置示意图

激光闪射法能在几秒到几分钟内完成对小样本尺寸的测量，特别适合于昂贵或难以生产的材料，以及高温环境下的测试，适用对象包括固体、液体、膏体和粉末材料等。但是它只能反映样品厚度方向上的热导率，对各向异性材料无法提供准确测试；其次数据解析相对复杂，依赖于热扩散理论，需要专业知识和软件来分析数据；同时对样品制备要求较高，需要有良好的平面和恰当的尺寸。

2.2 瞬态平面热源法

瞬态平面热源法（Transient Plane Source Method，TPS）是一种绝对测量方法，无需重复校准或使用标准样品，它由瑞典查尔姆斯理工大学的Silas Gustafsson教授在热线法的基础上研发而来。相关标准有GB/T 32064-2015《建筑用材料导热系数和热扩散系数瞬态平面热源测试法》和ISO 22007-2:2022《塑料热导率和热扩散率的测定-瞬态平面热源法》。

瞬态平面热源法通过插入或将加热元件贴附于材料中，并监测随时间变化的温度响应来工作。相关装置见图6，利用热阻性材料做成的一个平面的探头，同时作为热源和温度传感器。由于合金的热阻系数-温度和电阻的关系呈线性关系，即通过了解电阻的变化可以知道热量的损失，从而反映了样品的导热性能。由于热源与试样间的接触面积较大，减小了接触热阻，测试时受接触热阻影响很小，同时传感器体积小，阻值高，具备较好的灵敏度和精准度，可覆盖10K~1000K的温度测量区间；不过当测量温度高于1000K时，探头的云母覆膜会发生玻璃化导致探头失效，因此不适合超高温条件下测试。

图6 瞬态平面热源法测试装置示意图

瞬态平面热源法具有操作简便、快速获得结果的特点，对小样本量和各向异性材料特别有效，且受外部环境影响较小。然而其测试准确度易受到设备和操作技巧的限制，且样品制备和传感器位置对结果有重要影响。在常温常压测量条件下，导热系数及热扩散系数的测量误差可控制在5%以内，随着温度的升高，误差会大幅度增大。

2.3 热线法

热线法（Hot Wire Method，HW）是基于常物性、均质、具有相同初始温度的无限大介质，在受到恒定线热源作用时，根据非稳态导热过程测量材料热导率和热扩散率的测试方法。相关标准有GB/T 10297-2015《非金属固体材料导热系数的测定 热线法》和ASTM D7896-19《用瞬态热丝液体导热法测定发动机冷却剂和相关液体的导热性、热扩散性和体积热容量的标准试验方法》。

基本原理是在样品中插入一根恒定功率的线状导电体，测量导电体本身或平行于导电体的一定距离上的温度随时间上升变化的关系来确定材料的导热系数。测量导电体的温升有多种方法，其中平行线法（见图7）最为常见，测量与导电体隔着一定距离的一定位置上的温升；交叉线法是用焊接在线状导电体上的热电偶直接测量热线的温升；热阻法是利用线状导电体（多为铂丝）的电阻与温度之间的关系测量热线本身的温升。

图7 平行热线法测试装置示意图

热线法适用范围宽，测量时间短，可有效避开样品对流的影响，因其需少量样本测试及设备简便，可实现现场应用或在线测试。现热线法已被广泛应用于各种低热导率、颗粒状材料和多孔材料的热物性测量，成为我国测量非金属材料标准之一。

三、总结

整体而言，稳态法在测定低导热材料的热性能时展现出高准确性和优良重复性，但其应用受限于较小的测试范围和较窄的温度域。该方法的测试周期较长，且对实验环境的控制要求极高。相较之下，瞬态法因其广泛的测试范围、对不同材料的适应性强、较宽的温度域和较短的测试周期而受到青睐，其对测试环境的依赖性较低。然而，当应用于低导热材料的测试时，瞬态法的准确性和重复性通常无法达到稳态法的水平。因此，在选择适合的导热系数测试方法时，应仔细评估材料属性、测试方法的特点、所用装置的性能以及具体的测试需求等多个因素，以确保科学和技术上的精确性。

表1 常见导热系数测试方法特点

表2 常见导热系数测试方法优劣势及适用对象

四、仪器推荐

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