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穩(wěn)態(tài)法是指在待測(cè)試樣內(nèi)建立不隨時(shí)間變化的溫度場(chǎng)，使其達(dá)到熱量一維傳導(dǎo)的狀態(tài)，測(cè)量溫度梯度和試樣單位面積上的熱流量，就可以確定材料的導(dǎo)熱系數(shù)，其測(cè)試的原理公式如下

式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；Q為熱流密度，W·m-2；ΔT為待測(cè)試樣溫度梯度兩端的溫差，K；L為待測(cè)試樣溫度梯度兩端的距離，m；B為儀器常數(shù)，與所用測(cè)試裝置及試樣類(lèi)型有關(guān)。

穩(wěn)態(tài)法立足于傅里葉定律，具有計(jì)算簡(jiǎn)單、直觀易行的特點(diǎn)，是導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試的常用方法。但由于穩(wěn)態(tài)法中構(gòu)建穩(wěn)定溫度梯度較為困難，所以穩(wěn)態(tài)法的測(cè)試周期一般比較長(zhǎng)。常用的穩(wěn)態(tài)測(cè)試法有防護(hù)熱板法、熱流計(jì)法、水流量平板法、圓管法等。

防護(hù)熱板法(Guarded Hot Plate Method，GHP)的測(cè)試機(jī)理如圖1所示。兩塊相同的待測(cè)試樣交替地夾在冷、熱板之間，熱量由中心計(jì)量面板與內(nèi)防護(hù)面板垂直通過(guò)試樣傳遞到冷卻面板上，而外防護(hù)面板的溫度為冷、熱板的平均溫度，以降低試樣的邊緣熱交換，進(jìn)而保證試樣上能形成一維垂直熱流。此外，若將其中的一塊試樣換作輔助加熱模塊，就可構(gòu)建單試樣結(jié)構(gòu)的測(cè)試裝置。

圖1 防護(hù)熱板法測(cè)試導(dǎo)熱系數(shù)原理示意圖（雙試樣結(jié)構(gòu)）

當(dāng)試樣中形成穩(wěn)定溫度梯度后，測(cè)量各模塊的溫度和熱功率，就可以計(jì)算得到試樣的導(dǎo)熱系數(shù)，其計(jì)算公式如下

式中：λ為試樣導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；Q為計(jì)量面板的加熱功率，W；L為待測(cè)試樣的厚度，m；A為量熱面積，m2；Th為試樣熱面溫度，K；Tc為試樣冷面溫度，K。

防護(hù)熱板法是絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試的經(jīng)典方法，表1給出了目前國(guó)內(nèi)外典型防護(hù)熱板法導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試裝置的基本參數(shù)。

表1 國(guó)內(nèi)外典型防護(hù)熱板法導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試裝置基本參數(shù)

由表1可知，國(guó)內(nèi)裝置的測(cè)試溫度主要停留在常中溫區(qū)域，且準(zhǔn)確度相對(duì)較差，而國(guó)外裝置測(cè)試溫域更寬，準(zhǔn)確度更好。

從總體上來(lái)說(shuō)，防護(hù)熱板法一般適用于導(dǎo)熱系數(shù)在3W·m-1·K-1以下材料的測(cè)試，是低導(dǎo)熱材料測(cè)試的經(jīng)典方法，而不適于導(dǎo)熱系數(shù)較大的情況，這是因?yàn)楫?dāng)材料導(dǎo)熱系數(shù)較大時(shí)，通過(guò)材料的熱流大，構(gòu)建穩(wěn)定的溫度梯度較為困難。另外，防護(hù)熱板法裝置可以用于低溫測(cè)試，但高溫測(cè)試溫度一般不超過(guò)800℃，這是因?yàn)榉雷o(hù)熱板法高溫區(qū)測(cè)試的準(zhǔn)確度較差。

有文獻(xiàn)顯示，不同防護(hù)熱板法測(cè)試裝置在-20~80℃的測(cè)試結(jié)果差異約為2％~3％，而高溫區(qū)差異可以達(dá)到10％以上。因此，防護(hù)熱板法適于絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試，測(cè)試溫度較低，測(cè)試周期較長(zhǎng)。防護(hù)熱板法對(duì)于絕熱材料的測(cè)試準(zhǔn)確度和重復(fù)性最好，一般以其為仲裁方法，并可用該方法來(lái)開(kāi)發(fā)絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)參比板。

防護(hù)熱板法在高溫區(qū)測(cè)試時(shí)，存在測(cè)試數(shù)據(jù)分散性大、重復(fù)性差的情況。而許多保溫絕熱材料的的工作溫度往往比較高，高溫導(dǎo)熱系數(shù)是其重要的熱物理性能。因此，需要分析高溫測(cè)試條件對(duì)防護(hù)熱板法的影響，并用以提高其測(cè)試準(zhǔn)確度。為消除防護(hù)熱板法高溫狀態(tài)帶來(lái)的影響，就需要使用導(dǎo)熱系數(shù)參比板來(lái)統(tǒng)一測(cè)試結(jié)果，實(shí)現(xiàn)高溫條件下導(dǎo)熱系數(shù)的量值溯源。表2給出了目前國(guó)內(nèi)外幾種導(dǎo)熱系數(shù)參比板的基本參數(shù)。

表2 國(guó)內(nèi)外典型導(dǎo)熱系數(shù)參比板的基本參數(shù)

由表2可知，目前可用的導(dǎo)熱系數(shù)參比板的使用溫度均在200℃以下，無(wú)法滿足防護(hù)熱板法的高溫測(cè)試要求，高溫狀態(tài)對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試準(zhǔn)確度的影響依然存在，需要研究耐高溫的導(dǎo)熱系數(shù)參比板來(lái)提高其在高溫條件下的測(cè)試準(zhǔn)確度。

熱流計(jì)法(Heat Flow Method，HFM)是在試樣與冷板之間插入熱流傳感器，來(lái)測(cè)量通過(guò)試樣的熱流。另外，熱流計(jì)法是一種相對(duì)的測(cè)試方法，通過(guò)測(cè)試試樣與標(biāo)準(zhǔn)樣品熱阻比值而確定導(dǎo)熱系數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)樣品的熱阻依據(jù)ISO 8302：1991Themal Insulation—Determination of Steady-State Thermal Resistance and Related Properties—Guarded Hot Plate Apparatus進(jìn)行標(biāo)定。表3給出了典型的幾種熱流計(jì)法導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試裝置的基本參數(shù)。

表3 國(guó)內(nèi)外典型熱流計(jì)法導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試裝置基本參數(shù)

由表3可知，與國(guó)外建立的測(cè)試裝置相比，國(guó)內(nèi)裝置在測(cè)試范圍、溫度、準(zhǔn)確度及周期上均存在較大差距。另外，與防護(hù)熱板法相比，熱流計(jì)法的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試范圍更大，在測(cè)試溫度上，熱流計(jì)法的測(cè)試溫域更窄，在測(cè)試準(zhǔn)確性上也不及防護(hù)熱板法的，但其測(cè)試周期較防護(hù)熱板法的短，測(cè)試效率較高，因而也是材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試的常用方法。

水流量平板法(Water Flow Plate Method，WFP)是通過(guò)測(cè)量流過(guò)中心量熱器水流吸收的熱量來(lái)進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算，其基本原理如圖2所示。

圖2 水流量平板法測(cè)試導(dǎo)熱系數(shù)原理示意圖

在支承塊保證試樣平行后，加熱模塊提供的熱量通過(guò)均熱板均勻地加到試樣的上表面，熱量通過(guò)試樣向下一維傳導(dǎo)，經(jīng)過(guò)墊塊和玻璃纖維布后被量熱器中的水流帶走。測(cè)量試樣冷、熱兩面的溫度以及水流帶走的熱量，就可計(jì)算試樣的導(dǎo)熱系數(shù)。穩(wěn)態(tài)情況下，水流量帶走的熱量與試樣導(dǎo)熱系數(shù)、試樣溫差、量熱面積成正比，與試樣厚度成反比，其導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算公式如下

λ ＝ QL/（AΔT） （3）

式中：λ為試樣導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；Q為單位時(shí)間內(nèi)水流吸收的熱量，W；L為試樣厚度，m；A為量熱面積，m2；ΔT為冷、熱面溫差，K。

水流量平板法的測(cè)試范圍與防護(hù)熱板法的基本一致，適于對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)為0.03~2W·m-1·K-1的耐火材料進(jìn)行測(cè)試；在測(cè)試溫度范圍上，較防護(hù)熱板法的要高，為200~1300℃；其測(cè)試準(zhǔn)確度整體上不如防護(hù)熱板法的。此外，水流量平板法還可以通過(guò)固定環(huán)來(lái)測(cè)試不定形耐火材料散料的導(dǎo)熱系數(shù)。