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热线法测量导热系数 1.导热系数测定原理 热物性是物质在受热过程中表现出来的属性一般都用宏观的方法研究与测热物性测定的一个共同特点是人为地安排一个热过程，然后对热过程进行测所直接测量的物理量有温度、时间、长度、质量、电流、电压等，再根据一关系式计算出热物性，因而热物性测定属于间接测定。导热系数是物质重要物性参数，其测定方法的研究是通过建立适当的物理模型，根据热量传递理行数学分析，导出直接测量的物理量与导热系数之间的关系，并借助于误差，指导改进试验方案的设计和提高导热系数测定值的精度[1]。 对所有材料而言，凡是能为下式（傅立叶导热方程式）的特解提供所需边界条件的任何仪器，都可测定导热系数。 式中，为密度，c为比热容，分别对应x、y、z方向上的导热系数。 对于各向同性的介质，方程简化为 由推测的温度分布随时间的变化函数关系计算出热扩散率，然后再根据热容确定导热系数。对于各种导热系数的测定方法，概括起来就是确定一个导热过程的物理模型，并导出描述这一过程规律的微分方程，求在一定单值条件下微分方程的解，在实验中要满足这些条件，最后将测量结果带入微分方程的解中，进而求得微分方程中的物性参数的值。 2 导热系数测定方法 在实际工程中，各种固体材料的导热系数相差很大，其变化范围从与已知气体一样低的数值到比气体的导热系数高几个数量级。对于高电导率余属，可以观测到其导热系数是相当之高。因而在实际导热系数的测试研究中，必须应用各种极为不同的方法来测量各种不同固体材料的导热系数。 由于物理模型、实验方案及实验装置的不同，有许多导热系数的测定方法，如果按照热流状态分，可分为稳态法和非稳态两大类，也有两者结合的综合法，详述如下。 稳态法是在待测试样上温度分布达到稳定后进行实验测量，其分析的出发点是稳态导热微分方程。这种方法的特点是实验公式简单，实验时间长，需要测量热流量和若干点的温度。在稳态法中将直接测量热流量的方法称为绝对法，通过测量参比试样的温度梯度，间接测定热流量的方法称为比较法。比较通用的导热系数测定方法有如下几种 在稳态法测试导热系数的方法中，线性热流式和径向热流式设备适合应用于低导热性固体材料导热系数的测试，直接电加热法适用于金属和其他导电性能较好材料导热系数的测试。 非稳态法在实验测量中，试样内的温度分布随时间而变化。通常是在试样的某一部分施加持续的或周期变化的热流，而在试样地另一部分测量温度随时间的变化率，即温度的响应，进而测出试样的热扩散率（即导温系数a），若已知材料的比热，可进一步算出导热系数。用于测定导热系数的非稳态法主要有瞬态热丝法、热探针法及准稳态法。 非稳态法中的热线法、探针法以及脉冲式测试方法，亦适用于低导热性固体材料导热系数的测试。 上面介绍了在稳态和非稳态热工状况下热物性的测试方法。这些方法可以由一次实验测得任何一个热参数，如需知一系列物性数据，就必须用两个或若干测试装置的组合来得到所求参数，对于这样一种实验，制造时难保持相同性能、误差大、测量费时，这是单纯稳态和非稳态方法所不能解决的。因此提出了一种综合法，即在一个实验装置上用一个试样进行一次实验，就可同时获得若干热物性。若一种方法即涉及稳态热工状况的导热过程，又涉及非稳态下的导热过程，此法亦可称为综合法。它可以给出热物性、被测物质性质的最完整表示，并可缩短实验时间。综合法的理论基础可以是非稳态导热初始阶段理论和主要阶段理论，可以是这两个阶段理论的综合，也可是稳态热工状况下的导热过程理论。 各类测定方法的优劣和各种测定装置的可靠性、准确性的比较和判定，以其对标准样的测定结果为依据。下表中列出了几种典型的测试方法的应用范围与特点。 3 热线法测量导热系数 3.1 原理 热线丝法属于非稳态导热系数测试法。其中热线法包括十字热线法和平行热线法。平行热线法是国际上一种先进的测试热导率的方法，其测量范围广、精度高，是测试含炭耐火材料热导率的最佳选择[2]。1988年国家建材部制定了测量物质热导率的国家标准《GB-10297-88非金属材料热导率的测试法--热线法》，按照此标准，热线法适用于导热系数小于2w/m·k的各向同性均质材料的导热系数的测定[3]。为了提高测量结果的精确度，不但需要精度的仪器，还要利用多点测试数据线性回归法来处理热线法的测试数据。 热线法测试导热系数的基本原理是，一根细长的金属丝埋在初始温度分布均匀的试样内部，突然在金属丝两端加上电压后，金属丝温度升高，其温升速率与试样的导热性能有关。如试样导热系数小，热量就不容易散掉，金属丝温度升得又高又快相反，试样导热系数大，则金属丝温度升得小而慢。热线法就是根据这一原理建立起来得。 在线热源的加热作用下，整块模型的温度场是以线热源为轴线对称分布的，因而可以用圆柱体导热微分方程