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导热系数仪 (hotdisk)热导率测试原理、测试项目、样品要求、常见问题及论文案例解析

导热系数仪 (hotdisk)热导率测试原理、测试项目、样品要求、常见问题及论文案例解析 科研测试站
2025-11-03
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导读:核心基于瞬态平面热源法(TPS),通过金属镍传感器(兼具加热与测温功能)实现热物性测量:传感器被夹在两片样品之间(或贴于样品表面),通电后释放恒定热量,形成瞬态温度场。
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测试原理


核心基于瞬态平面热源法(TPS),通过金属镍传感器(兼具加热与测温功能)实现热物性测量:

传感器被夹在两片样品之间(或贴于样品表面),通电后释放恒定热量,形成瞬态温度场。

传感器同时记录自身温度随时间的变化曲线(ΔT-t曲线),该曲线与样品的热导率(λ)、热扩散率(α)直接相关。

结合样品密度(ρ)和比热容(cp),通过热传导方程拟合计算:热导率λ=热量/(温度梯度×面积×时间),热扩散率α=λ/(ρ×cp),最终可同步获得比热容cp=λ/(ρ×α)。

核心测试项目


热导率(λ):材料传递热量的能力,核心测试指标(单位:W/(m・K))。

热扩散率(α):材料温度均匀化的速率(单位:m²/s)。

比热容(cp):单位质量材料升高1℃所需的热量(单位:J/(kg・K)),需输入样品密度或同步测量。

适用状态:固体(块状、片状、粉末压实体)、液体、凝胶状材料的热物性。

样品要求


尺寸要求:

1.块材尺寸直径50mm厚度20mm

2.薄膜样品直径50mm

3.液体样品30ml以上

4.粉末样品:试管量4ml。

常见问题及解决方案


测试数据重复性差

原因:样品与传感器接触不良、样品密度不均、环境温度波动。

解决:用导热硅胶辅助贴合传感器,压实粉末样品保证密度均匀,在恒温环境(±1℃)下测试。

热导率数值偏高/偏低

原因:接触热阻过大(数值偏低)、样品含水/气泡(数值偏高)、传感器功率设置不当。

解决:清洁样品表面并加压贴合,烘干样品排除水分/气泡,根据样品导热能力调整功率(低导热材料用低功率,避免温度过高)。

曲线拟合失败

原因:样品尺寸不足、测试时间过长(热量扩散至样品边缘)、传感器损坏。

解决:增大样品尺寸,缩短测试时间(一般0.1~10s),检查传感器是否有破损或氧化。

液体样品测试异常

原因:样品对流(热量导致液体流动)、传感器被液体腐蚀。

解决:选用低功率短时间测试,使用耐腐蚀涂层传感器,或加入防对流隔板

与激光导热仪(LFA,激光闪射法)的核心区别

 

案例分析


案例1-不同物性的保温材料在HotDisk测试分析

探头热容对瞬态平面热源法测量轻质保温材料导热影响研究        
ModifiedCalculationModelofTPSMethodMeasuringThermalConductivity

网址:https://www.oalib.com/research/6324060

图1.不同密度样品的温升曲线

2.热扩散率测量误差

3.导热系数测量误差

Hotdisk方法首先对温升曲线进行线性拟合,通过最优化算法计算出热扩散率,然后再由斜率计算导热系数。由于探头热容的影响,温升曲线的弯曲程度发生改变,若不考虑探头热容影响,则计算出的热扩散率会偏大(如图2)。当密度小于100kg/m3时,热扩散率误差大于10%,更小密度的保温材料误差甚至可达90%。热扩散率的误差进而影响导热系数的计算,使得测量值偏小(如图3)。当密度为100kg/m3时,导热系数误差约8%,更小密度的保温材料误差可达30%~40%。

结论


采用瞬态平面热源法测量轻质保温材料热导率和热扩散系数的实际过程中,探头热容会对探头温升过程产生影响,使得加热初期的温升明显降低;2)计算时忽略探头热容,热扩散率会偏大,热导率偏小,样品热容量越小,误差越大

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