1、中国建筑科学研究院（国家建筑工程质量监督检验中心）导热系数仪器原理和测试技术 近年来，建筑节能工作在我国的发展十分迅速，建筑节能形势也越来越好。但据统计，全国节能建筑发展水平仍然参差不齐，建筑用能浪费仍相当严重，节能潜力还未充分发挥。全国每年新建城乡建筑的建筑中80%以上是高耗能建筑。相同条件下，我国建筑平均使用能耗远远高于发达国家；同时伴随着村镇建筑用能的逐步提高，我国的建筑节能工作任重而道远。 前言前言 导热系数是建筑材料的基本物性之一，是鉴别建筑材料保温性能好坏的重要指标。对于保温材料来说，导热系数是其中最重要的一个参数，因为导热系数是决定保温材料保温能力的根本因素。 近些年来，随着国家
2、对建筑节能的要求越来越高，高保温（低导热系数）性能的材料的应用越来越广泛，因此准确测定保温材料的导热系数有利于合理选材及指导围护结构节能设计，对于建筑节能来说具有十分重要的意义。 针对日益广泛的建筑节能检测工作，其中保温材料的导热系数的测试在整个建筑节能检测领域非常普遍，同时为了配合此次的认监委导热系数能力验证项目（ CNCA-12-A10 ）的总结工作，本文主要介绍与导热系数测试相关的标准、测试方法及测试仪器等问题，通过此次交流，以期与大家共同进步，为更好地开展节能检测做一些力所能及的工作。 一 基本原理和概念 二 常用稳态测量方法 三 导热系数测试仪举例分析 四 非稳态测量方法介绍 五 检
3、测报告注意事项一一 基本原理和概念基本原理和概念 对于厚度为d的无限大的单层匀质平壁，当两侧的温度保持恒定，分别为t1和 t2，且 t1 t2，根据傅立叶定律可以得到公式：将此式分离变量积分，得到单层匀质平壁在一维稳态条件下的热流密度计算公式为：涵义简述： 理论基础：式中：q单位时间内通过单位面积所传递的热量（W/）； d单层平壁的厚度（m）； t1,t2壁面两侧的温度（）。 导热系数表述：， W/（mK） 物理意义：在稳态条件下，1m厚物体，两侧表面温差为1k，1s内通过1m2面积传过的热量。 导热系数值越小，材料的绝热（保温）性能越好。 基于稳定热状况的测试方法大致可分为三种类型： 1.平
4、板法，包括单平板法、双平板法、相对平板法（比较法、热流计法）； 2.圆管法； 3.球体法。其中以平板法为最主要的测试方式。二、常用稳态测量方法二、常用稳态测量方法2.1 常用标准2.2 防护热板法（单试件）2.3 双试件（平板法）设备与单试件（平板法）设 备的对比2.4 热流计法设备与防护热板法（平板法）设备的 对比2.1 常用标准常用标准 1 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 通过计量被测试件的两侧温度和热侧的加热功率，从而获得材料的导热系数。 2 GB/T 10295-2008 绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 热流计法 通过计量被测试件的两侧温
5、度和通过试件的热流密度，从而获得材料的导热系数。2.2 2.2 防护热板法（单试件）防护热板法（单试件） 本节以防护热板法（ GB/T 10294方法）中的单试件法为例来重点介绍稳态法测量保温材料导热系数的情况，然后进行介绍： 防护热板法中的双平板法 热流计法（ GB/T 10295方法） 将这两种常用的方法与单平板法的相同和不同之处做对比介绍。 首先介绍一下仪器设备的原理，示意图如下： 仪器重点： 试件两侧温度计量准确； 试件热侧加热功率计量准确； 试件温度和侧向护热板、背向护热板要保持高度一致。 事实上，为了达到上述目的，对仪器的要求是方方面面的，如：测试元件的精度、测温点的布置、控制系统
6、的灵活，甚至包括仪器的机械加工精度等等，这些都会对仪器的测量结果产生影响。 对于仪器开发人员来说，如何提高仪器自身的测量精度是研究的重点。 但对于节能检测人员来说，仪器的内部因素不是关注的重点，如何更好地使用仪器设备则才是重要的关注点，但对仪器原理应有基本的了解，便于在日常工作中解决特殊问题及突发问题。测试达到平衡的判断（1）一般凭经验确定测量间隔。对于泡沫塑料等轻质试件可取30分钟，对于较厚重试件取1小时。（2）当连续四组读数给出的热阻值的差别不超过1%，并且不是单调地朝一个方向改变时即表示达到稳定状态。使用过程的一些基本注意事项 （1）试件冷热面温度差的设定要按照相关标准或其他规定 进行（
7、GB/T 10294标准建议温差最少为10-20K），根据多年的科研检测结果来看：对于普通绝热材料，不宜将冷热面温差设定在10K以下；在实验研究或材料对比时，可以适当放松温差要求，但极端情况也不应低于5K，否则不易保持测试的准确性。 （2）对于软质保温材料，在保证夹紧的同时还要避免过度压缩试件，防止改变试件的热工性能而影响测量结果。 （3）对于硬质材料，要避免仪器的冷热板与试件之间产生空气间隙，采用导热良好的膏体材料排出缝隙间的空气是一个好办法。举例说明空隙的影响： 测试一种隔热塑料的导热系数，塑料的厚度15mm，导热系数0.18W/（mK），假定塑料试件的平整度每面都是0.3mm（对于300
8、mm尺寸的试件，相当于平整度为1/1000），则在测试时的空气间隙总厚度为0.6mm。由此可以简单评估一下空气间隙对整个测试的影响， 空气间隙总热阻约为：0.0003/0.024=0.0125 m2K/W 塑料试件的自身热阻约为：0.015/0.18=0.0833 m2K/W空气间隙热阻约占试件热阻的15%。这种巨大的偏差是实验室测试所要坚决避免的。 （4）对于常规材料，应在实验结束前对其测量结果做一个基本判断（其中，密度是一个重要参考因素，因为密度对于很多材料来说，在一定范围内与导热系数有一定的相关关系），如果出现意外结果，则应及时查找各方面原因。 （5）对于非常规材料，应在实验前根据材料的
9、密度，以及与其相似材料的一些性能等参数做参考，粗估材料的导热系数，从而设定合理的温度范围，有利于缩短测量过程并得到更为准确的测量结果。 （6）仪器的冷热板表面不宜覆盖其他材料（一般是促进冷热板与试件的接触）；如果采用这种方式，应做好与之相关的校准工作。 （7）试件热阻不能太小。 其中，标准建议要大于0.1（m2K）/W。 潜台词：试件不能太薄；试件的导热系数不能太大。 注意问题：同时试件不能太厚，否则在有限的测量尺寸下，试件越厚会导致测量温度场偏离一维稳态传热的程度越大，而一维稳态传热是测试的理论基础，必须得到保证才能确保测量的准确性。 （8）试件厚度对测量有较大影响，对于300mm300mm
10、尺寸的设备，比较理想的试件厚度为20 mm30mm，一般不要超过10 mm50mm的范围。 （9）不应对所有的材料都用统一的夹紧力。一般说来，试件越不平所需的夹紧力应越大，试件越硬所需的夹紧力越大。 （10）设备测量区的防护罩对试件的测量影响大小因不同测试温度条件和不同试件而不同，建议不要放弃防护罩的使用。 （11）测试时设备的大环境温度尽量保持稳定，同时尽量避免测试温度和环境温度接近的情况，否则容易增加一般设备的控制难度，造成稳定时间过长的情况出现。 2.3 双试件（平板法）设备与单试件（平板法）双试件（平板法）设备与单试件（平板法）设备的对比设备的对比 双试件法设备简单说来，就是采用在主加
11、热板的两侧各设置一块相同试样，进行材料导热系数测试的方法。T2T1T3Q1Q2Q3Q2 与单平板法设备相比，两者的区别在于： 首先，由于双试件设备采用了两块试件，这就使得双试件设备避免使用了单试件设备中主加热板背后的背护热板背护热板，从而避免了主加热板向背护热板的传热问题，从这个角度看有利于提高设备的测量精度。 其次，双试件设备所使用的两块试件必须完全一致（理论上），否则可能会引起主加热板向双侧的传热不均而导致测量结果产生偏差。 实际测试中，无论是试件的厚度还是试件的均匀性，两块试件不可能做的完全一致，从这个角度看双试件设备不利于提高设备测量精度。 2.4 防护热板法（平板法）设备与热流计法设
12、备防护热板法（平板法）设备与热流计法设备的对比的对比 热流计法设备采用GB/T 10295-2008标准，因为它不精确计量热量（功率）参数，所以它是一种相对法设备。设备所使用的热流计是经过系数标定的，因此测量的准确性与热流计的标定准确性有着决定性的关系。 热流计设备原理图（双热流计） 示意图如下所示： 注意事项： 热流计法导热仪的准确性与设备所使用的热流计系数标定有很大关系。通常来说，热流计法导热仪是利用标准件进行标定的，在仪器的使用范围内，应该针对不同热流密度（绝热材料一般为低热流密度，非绝热材料一般为高热流密度）进行至少两种热流情况进行标定，不能仅仅进行一次标定就用来测量多类型材料，尤其是
13、测量与标准件性能差别过大的材料一定要慎重，否则测量结果可能会产生巨大误差。 以某次能力验证为例来说明（当然检测机构使用的为平板法和热流计法两种设备，但很多设备都是以标准板标定为基础的）： 参加能力验证的检测机构共36家，由于各检测机构都采用的是玻璃棉或聚苯板等类的软质、低导热系数的材料做为标准件，因此各检测机构的聚苯板导热系数能力验证整体结果比较理想，而丙烯酸树脂板导热系数能力验证整体结果非常差。检测结果偏差柱状图如下所示： 说明：其中有的检测机构没有能测出丙烯酸树脂板的导热系数 热流计法导热仪与防护热板法设备相比，其特点在于： 首先，由于热流计法设备不计量功率（热量）因此不存在主加热板与护热
14、板之间传热问题，设备构造相对简单。 其次，热流计法设备中，一般与被测试件接触的都是热流计，而防护热板法设备中，与被测试件接触的是冷热板（一般是金属材料）。金属材料的导热性能一般远好于普通材料，因此从设定温度的角度来说，热流计法导热仪设定温度与试验最终温度水平之间差异较大，设定时需要一定的测试经验，或者在测试过程中做较长时间的渐进式调整。 第三，由于采用了热流计测量原理，因此测量所需达到平衡的稳定时间理论上要短于平板法设备。2.5 热流传感器的标定热流传感器的标定 常用热流传感器其实就是热电偶堆。 随着使用周期的延长和自身老化等方面的影响，热流传感器可能会产生变形或损坏，热流系数也随之改变，一般
15、情况下，热流传感器系数每年至少标定一次。 标定热流传感器的仪器一般要符合GB/T 10294绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 防护热板法 （从逻辑的角度上来说不应该采用GB/T10295 绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 热流计法的方法进行标定。） 采用GB/T 10294法，并选择用标准试件进行标定的方法。 注：标定热流传感器应根据未来应用的范围，至少针对注：标定热流传感器应根据未来应用的范围，至少针对高热流状态和低热流状态进行两次标定。高热流状态和低热流状态进行两次标定。 标定原理图如下： 热流计标定系数C1如下：三三 导热系数测试仪举例分析导热系数测试仪举例分析 导热仪主要由 1 主体部
16、分（测试计量区） 2 冷/热源系统 3 智能测量仪（控制系统） 三部分组成。 主体部分主体部分智能测量仪智能测量仪热源测控系统热源测控系统冷源测控系统冷源测控系统辅助辅助部件部件 主体部分由热板、冷板和试件压紧装置组成，热板和冷板是仪器的硬件核心部分，主要目的是使检测所必需的时间和空间达到稳定状态，并使热板及冷板结构合理，制造工艺精密与可靠，这对仪器性能的影响很大。 由于时间有限，对于导热仪中纷繁的各种部件，本节仅对检测人员日常能最直观接触到的冷热板及其系统进行举例说明。热侧热侧热板包括背护热板、主加热板和护热板（周围护热板） 背护热板采用40mm厚的铝板加工制成，再由精密恒温水槽提供稳定热源
17、，恒温水进出采用螺旋形逆向流动的液体槽板，这种设计可使板面的温度均匀性达到较好的效果。背护热板的热源及冷源由两套精密恒温水槽组成。 主热板由主加热器和金属均热板组成，护加热板由护加热器和金属均热板组成。主、护热板的大小与被测试件厚度成一定比例关系，并且还与边缘热损失和不平衡误差有关，因此，设计主护热板时必须综合考虑，使误差和不平衡误差之和最小。有关这方面的问题，国内外已做过大量工作，例如可以根据GB 10294推荐的尺寸进行设计。均热板采用黄铜板制作并进行涂黑处理，其辐射率大于0.8。主、护均热板的平整度为0.04mm，不平整度小于0.025%。 主、护加热器采用0.1mm厚的鏮铜箔腐蚀而成，
18、采用半固化板绝缘，这种工艺既保证均热板和加热器之间有良好的电绝缘又有较好的热接触。主加热板、护热板和背护热板的温度要保持高度一致。冷侧 冷板是由铝板、半导体制冷器、冷却水系统组成。板面进行氧化处理，板面的平整度为0.04mm，不平整度小于0.025%。冷却水系统主要包含另一套恒温水槽，由恒温水槽提供稳定的冷却水流。当测试需要冷板温度设定在5以上时，直接通过恒温水槽温度的调节就可以实现对冷板的温度控制；当测试需要冷板温度设定在5以下时，用半导体制冷器来控制冷板温度，此时水槽起到对半导体制冷器冷却作用。导热仪加工试制完成后必须进行如下工作：1.仪器测试（主要针对设备）仪器测试（主要针对设备）1.1
19、 热、冷板温度场分布的均匀性热、冷板温度场分布的均匀性应用不同材质试件进行测试。1.2 边缘热损边缘热损一般来说，当试件厚度和热阻最大，而试件温差最小时，此时边缘热损最大（指比例大）。1.3 试件最小厚度的确定试件最小厚度的确定1.4 最小温差的确定最小温差的确定2. 验证测试（主要针对材料）验证测试（主要针对材料） 2.1. 线性实验（导热系数与平均温度的关系）线性实验（导热系数与平均温度的关系） 2.2. 不同温差影响实验不同温差影响实验 2.3. 重复性试验影响实验重复性试验影响实验3. 误差分析误差分析3.1.测量误差测量误差 （1）主加热板功率测量误差 （2）试件厚度测量误差 （3）
20、温度测量误差 3.2. 仪器结构引起的误差仪器结构引起的误差 3.3.被测试件对测试结果的影响被测试件对测试结果的影响 本项误差实际上已经不是单纯的仪器本身的精度问题。 一个简单的例子：测量有机玻璃时，由于试件表面的不平整（厚度也不完全处处相等），直接测量时，冷热板与有机玻璃之间会形成空气间隙，引起较大的附加接触热阻（含空气间隙热阻），测得导热系数=0.1592W/mK（平均温度22.36）；再涂上一层导热硅油后再进行测量，后得到的导热系数=0.1774W/mK（平均温度22.35），导热系数比直接测量时提高了11.43%。四 非稳态测量方法介绍 4.1 热脉冲法 4.2 线热源法 4.1 热
21、脉冲法热脉冲法 4.1.14.1.1基本原理基本原理 热脉冲法是以非稳定热流原理为基础，在试验材料中给以短时间的加热，使试验材料的温度发生变化，根据其变化的特点，就可以计算出试验材料的导热系数、导温系数和比热容等相关参数。 热脉冲法具有以下特点：1.装置简单，几乎可以通过购置有关仪表自行组装设备；2.试验时间短，一次试验1020分钟左右；3.一次试验中可以同时测出材料的导热系数、导温系数和比热容等多项相关参数；4.测量范围广，可测定密度303000 kg/m3的干燥和潮湿的块状和粉状的建筑材料和保温材料。 根据热脉冲法的基本原理，其试验装置可分为三个主要部分。 第一部分为试件及试件夹具。为了便
22、于放置加热器及测量温度用的热电偶，试件分为三块，中间一块试件比较薄，两边的试件比较厚。试件和试件之间夹以热电偶和加热器。 第二部分为温度测量系统。温度的感应元件成对出现，一对温度传感器相互之间必须高度一致，包括原点一致和斜率一致。 第三部分为加热系统。为了在试验过程中保持电压恒定，让电流首先经过稳压器，然后经过调压器调至所需要的电压，加热电路中接入电压表以读出加热器的两端电压。4.1.2 试验条件的控制试验条件的控制1. 加热器的要求加热器应该满足如下的要求：（1）加热器的厚度要尽可能薄（不超过0.4mm），有弹性，热容量要小（不超过0.42 kJ/ m2K），在使用过程中要坚固而耐久；（2）
23、制作加热器的材料应选电阻温度系数小的材料（如康铜、锰铜等），使得加热器在温度变化1020 时，它的电阻变化实际上很小；（3）试验潮湿材料时加热器不吸收湿气；（4）接通电源时加热器应该使整个面积均匀地发热，而且对于试件来说是对称的；（5）加热器的尺寸应与试件的尺寸相适应。2. 温度传感器和测试仪表的选择 对于温度测定，温度传感器要使温度读数的精确度为0.01以上，例如，如果采用热电偶的采集仪，其最小分辨率要小于0.0004毫伏。 作为成对出现的温度传感器，其不但要原点高度一致，线性斜率也需要保持高度一致。3. 试件尺寸的确定和制作要求 试件的制作不可能如同理论上假定的那样作成无限厚，但是只要对试
24、件的尺寸按一定的比例制作和合理控制试验时间，使加热器发出的热量扰动尚未传到试件的边界面或影响力到达试件边界面时，试验就已结束，这就满足了理论上的要求，一般要求试件的长和宽为薄试件厚度的510倍。 同组试件必须是同一种材料，一次成型。试件相互接触的表面要求制作得平整，接合紧密，这样可以避免形成缝隙而受空气间隙的影响，造成测试结果的误差。4 试验时间的控制 热脉冲法是以无限厚物体导热方程的解为基础的，但由于我们实际制作的试件是有限厚的，因此要满足无限厚物体导热方程解的要求，则试验时间（即时间）必须限制热源面所发出的热流尚未传至试块界面（一般是试件背面）之前，否则就要受到外界条件的影响而破坏原始的假
25、定。当然在实践中与理论上的假定是有一定出入的，若这误差相当小的时候，就可以认为已满足理论上的假定。 对于一般建筑材料来说，试验时间10分钟左右是不会超过控制时间的，仅对少数过重或过轻的材料要事先计算一下大致的控制时间，并在实测中尝试和调整。5 试验环境的恒温要求 脉冲法导热公式的推导中，试件的初始外界温度和实验过程外界温度是恒定不变的，因此，要求试验室内的气温波动尽量减小，以免试件内部初始温度引起不均匀而影响测定结果。 4.2 线热源法线热源法4.1 基本原理 在试验材料中间，安置一根细长的金属加热丝，当加热丝两端接通电流后，就会发出热量，使加丝温度升高。加热丝温度升高的快慢，与试验材料的导热
26、系数有关。如果试验材料的导热系数小，即材料的绝热性能好，向外传递较慢，那么加热丝的温度升得幅度高、速度快；相反，试验材料的导热系数大，向外传递较快，则加热丝的温度升得幅度小、速度慢。 线热源法就是根据这种原理研制成的。 材料的导热系数与加热丝的温升关系可以通过求解无限长圆柱体的导热微分方程式很严格地表示出来。我们知道，圆柱体的导热微分方程为：它的解为： 线热源法适用于测定粉末材料，小颗粒状材料，短纤维状材料的导热系数。线热源法的特点是：1.测量时间短，约12分钟。2.不需要测量试样的尺寸，试样放入容器内即可。3.操作简单。4.精确度为3%左右，一般不超过5%。其它测试过程和因素分析参考热脉冲法。五 检测报告注意事项 在材料导热系数的检测结果（报告）中应注明以下信息：（1）材料的名称、标志和物理性能。（2）试样说明及其与取样关系的描述。（3）试样的厚度、收到及检测时的厚度。（4）方法和用于制备的环境（试验室制样时）。（5）已制备和检测的试样密度（非常重要）。（6）测定的平均温度。（7）平衡时的热流密度，w/m2。（8）试样的热阻（m2K/ W）或导热系数(W/mK)。
