热线法导热系数测定仪的升级改造及误差因素分析

薛 飞

（中国建筑材料科学研究总院，中国建筑材料检验认证中心有限公司，北京 100024）

1 前言

导热是物质具有的一项基本属性，导热系数则表征着物质导热能力的大小，是衡量材料热物理性质的一个重要参数。从常见的砖瓦石材，到用作航天飞机挡热板的新型陶瓷，无论是人类使用了几千年的传统隔热材料，还是高新技术领域里面使用的新材料，凡是和热相关的领域都离不开种类各异的材料，要在这些领域很好地使用这些材料，就必须精确测量它们的热物理性能。

各种物质的导热系数，一般都是用不同的实验方法测定的。测量导热系数的方法很多，按照测试状态分类，可分为稳态法与非稳态法；按照被测试样的形状与种类，导热系数的测量方法可分为平板法、棒状试样法、圆筒形法、圆球法等；按照被测量物状态又可分为针对气体的、液体的、松散物料的、薄膜的等。在过去的几十年里，发展了大量的测试方法与系统，然而对于一定的应用场合来说并非所有方法都能适用。采用何种测试方法或仪器装置，往往要从材料的导热系数范围、样品可能做成的几何形状、数据所需的精确度、测量周期及所需费用等一系列因素综合考虑后确定。

基于傅里叶导热定律所描述的稳态条件进行测量的方法主要适用于在中等温度下测量中低导热系数的材料，这些方法包括热板法、保护热板法、热流法、保护热流法、沸腾换热法等等。动态(瞬时)方法，如热线法、激光散射法，主要用于在高温条件下测量高导热系数材料。此外，还有一些测量方法或测量技巧，包括热脉冲法、准稳态测量法、恒功率平面热源法等，应用于特殊场合或特定的测量对象。

耐火材料种类繁多，主要可分为定形材料和不定形材料两大类，定形材料一般比不定形材料要致密，但与陶瓷等致密材料相比气孔率仍然大很多，而不定形材料一般比定形材料松散一些，但与保温棉相比仍然相当致密，因而耐火材料导热系数范围大，而且使用温度高，许多重质材料导热系数也相对较大，因而适宜使用动态方法测量导热系数。耐火材料中有大量的颗粒，尤其在不定性材料中的骨料颗粒更大，导致其均匀性不好，如果样品尺寸过小将不能完全反映材料的性质，因而应使用尺寸较大的样品，才能反映出材料的实际性能，因此热线法适用于耐火材料导热系数的测量。但十字热线法只适用于导热系数低于2W/(m·K)的材料，而平行热线法测量范围达到20W/(m·K)，如图1所示，因此平行热线法是高温条件下高导热系数的耐火材料最合适的导热系数测量方法，如图2所示。

图1 十字热线法原理图

图2 平行热线法原理图

2 仪器设备改造

本升级改造工作是在原有的TC-51导热系数测定仪的基础上进行的，在对原有设备进行了详细的研究和分析后，从加热炉的控制及加热系统、热线供电加热系统、热电偶的测量系统、确定新系统的基本常数及分析误差的影响因素等五方面对设备进行了升级改造及误差分析。根据平行热线法的原理，经推导得到以下计算公式：

式中

λ——导热系数，W/(m·K)；

V——热线上的加热电压，V；

I——热线上的电流，A；

L——热线长度，m；

Δθ(t)——t时刻的温升值，K；

Δθ(2t)——2t时刻的温升值，K；

根据公式(1)，将原始记录数据选取典型数据点进行计算，并制成以下典型计算表。

(1)导热系数值为4W/(m·K)左右的粘土质耐火砖，在1100℃下，实测导热系数值如表1。

(2)导热系数值为13W/(m·K)左右的SiC质耐火砖，在800℃下，实测导热系数值如表2。

表1 1100℃下粘土

3 影响材料导热性能及测量的因素的初步分析

通过对文献及实验数据的整理分析，对影响因素进行初步分析。

3.1 影响材料导热性能的因素

影响材料导热性能的因素有许多，影响较大的有以下几点：

3.1.1 使用温度

温度对各类材料导热系数均有直接影响。耐火材料导热系数一般随温度提高而上升，但耐火材料品种繁多，成份复杂，各种情况都有可能出现，例如镁砖及镁铬砖其导热系数随温度升高而减小，因为其主要由晶体组成，而晶体的导热系数和温度成反比。

3.1.2 含湿率

所有的保温材料都具有多孔结构，容易吸湿。当含湿率大于5%-10%，材料吸湿后湿分占据了原被空气充满的部分气孔空间，引起其有效导热系数明显升高。致密材料也具有开口气孔，在常温湿润条件下也会吸收水分，从而也会对其常温导热系数产生影响。但对于在高温下使用的材料，要测量高温导热系数时，含湿率不会对导热系数的测量产生影响。

表2 800℃下SiC质耐火砖导热系数值

3.1.3 气孔率、容重

材料中包含的气孔数量、大小、形状及分布等对导热系数都有影响，容重是材料气孔率的直接反映。由于气相的导热系数通常均小于固相导热系数，因此在一定的温度限度与气孔率范围内，气孔率愈大则导热系数愈小。所以保温材料都具有很大的气孔率即很小的容重。一般情况下，增大气孔率或减少容重都将导致导热系数的下降。但其对于导热系数的测量并没有影响。

3.1.4 热流方向

导热系数与热流方向的关系，仅仅存在于各向异性的材料中，即在各个方向上构造不同的材料中。以纤维保温材料为例，传热方向和纤维方向垂直时的绝热性能比传热方向和纤维方向平行时要好一些；同样，具有大量封闭气孔的材料的绝热性能也比具有大量开口气孔的要好一些。对一般耐火材料而言，由于矿物结晶的排列杂乱无章，即使晶体为各向异性，材料的宏观导热系数的表现也为无方向性。其对导热系数的测量有影响，但不是对测量值的误差有影响，而是有可能导致同一种材料在多次测量中，由于热流方向的变化使导热系数值不同，可以通过在样品上标识而解决。但这种情况主要出现在纤维类材料上，不定形及致密定形耐火材料基本没有这种情况。

3.2 影响材料导热性能测量的因素

影响材料导热性能测量的因素主要有以下几点：

3.2.1 试样厚度

对平板法导热系数测量中，试样太厚(超过允许范围)，会使侧向热损失增加，太薄会形成热短路，都对正常测量有影响，但对于平行热线方法由于原理不同，试样厚度对导热系数测量值的影响很小，可以忽略不计。

3.2.2 试样表面不平整度

当试样表面没有磨平时，会在部分地区形成空气夹层，从而影响测量数据的准确性，试样表面应保证经过磨制平整，与测量探头间应没有空气夹层。这对于平行热线法测量的影响较大，一是空气导热系数不同，二是热线的辐射传热也同时影响到测量热电偶，在试验中发现，两砖完全平整压合时的导热系数值，一般情况下，会与不能平整压合时差5%左右。

3.2.3 试验稳定条件

没有试样稳定条件就不能保证测量结果的准确性及可靠性。平板法要求稳定时间为50分钟，而十字热线导热仪不是要求稳定时间，而是要求达到温度的稳定程度，平行热线方法中要求的也是温度的稳定程度，要求波动不超过±0.1℃。

3.2.4 热线加热功率

当加热功率过小时，热线产生的热量不能使温升足够高，过小的温升会使计算出现较大的误差，加热功率过高会使局部温度过高，无法在规定时间达到测量的条件，改变测量时间将使测量数据不具有可比性，无法保证准确，有时甚至可能使样品局部熔化，无法再测量。过大的加热功率还有可能烧断热线，使试验无法继续，试验中曾多次出现由于功率过大而烧断热线的情况。因此选择合适的加热功率范围才能保证数据准确可靠。

3.2.5 环境温度的稳定度

环境温度指测试样品周围的环境温度，即试验电炉内的温度。由于导热测量过程中需要大量的时间以达到稳定条件，因此环境温度的变化会对数据产生很大影响。以热线法为例，测量时产生的温升约1~4℃，如果环境温度变化达到1℃，最终对数据的影响就将达到约6%~10%。

3.2.6 升温速度

对于抗热震性较好的样砖，升温速率最好不超过10℃/min，对于热震性较差的样砖，升温速率最好不超过7℃/min，只要样砖不产生裂纹或断裂，升温速率对最终的导热系数值没有影响。

3.2.7 热线长度和直径的影响

由于平行热线法的关键是线热源，其理论基础是无限细而长的线热源，而实际上这是一种理想状态。通常，对于有限长线热源引起的温度场，主要关注线热源中部附近的情况，因为该处的温升较高。据报道，如果热线的长度与直径之比大于100，这种影响就能被忽略。在国际标准ISO 8894 -2中规定，选用长200mm，直径0.3mm热线，这时比率200 ： 0.3= 667 ： 1。由此引起的误差完全可以被忽略不计。试验中也曾换用过长200mm，直径0.5mm的热线，其长径比为400 ： 1，测出的数值与选用长200mm，直径0.3mm热线得到的测量值在误差范围内，说明只要长径比能大于100，其对测量的影响就可以忽略不计。

3.2.8 热线材质的影响

作为热线最合适的材质就是铂质丝。在试验中使用铂丝及铂铑丝做热线进行对比，得到的导热系数值在误差范围内，证明不同的铂质丝对测量的影响可以忽略不计。但铂丝比铂铑丝要软，在试验中不易折断，铂铑丝偏硬，质地较脆，经常在从砖上取下时折断。热线材质还是选取铂丝较好。

3.2.9 热线和测温热电偶埋设的影响

热线和热电偶的埋设关系到导热的理论模型，对导热系数测定有重大影响。热线和热电偶应在上下试块中对称埋设，才能测得准确结果。对于平行热线法，热线和热电偶的对称埋设是非常重要的。

3.2.10 外界电磁干扰

当炉温高到一定程度时，一方面由于加热电压的提高，另一方面由于材料出现了一定的导电性，而使干扰迅速增大，必须要使用抗干扰电路，才能将干扰降低到可接受的水平。可以选用电阻更低的优质碳化硅发热体，还可以在晶闸管调整器和发热体功率余量足够时，采用在晶闸管调整器与发热体间加功率变压器的方法降低加热电压，或者使用低电压大电流的硅钼棒为发热体，但那样就要改变整个炉体结构，可以根据设备情况选用不同的方法。对于选用抗干扰能力更强的电路设计的方法，可以使外置温度采集器具有更好的通用性，但减小干扰的同时必然会对测量信号产生不利影响，因此要在保证测量精度的前提下，尽量提高设备的抗干扰能力。

3.2.11 标准样

国外导热系数测量方法标准完备，配套设备齐全，而且保温材料、耐火材料等的产品标准对导热性能有明确规定；国内虽然有与国际标准对应的方法标准，但配套设备不完备，测量数据不够准确，不够全面，缺少通用标准样或参比样，无法进行准确的验证校准，不利于各实验室间的比对，无法对不同试验条件下导热系数测量的准确性进行评价。标准样虽然对测量过程没有任何影响，但其对于消除误差以保证测量值的准确可靠具有重要的作用。

4 结论

本文介绍了平行热线导热系数测定仪的升级改造过程，并结合实验数据及改造过程中出现的问题，对影响材料导热系数和准确测量的多个因素进行了分析，得出了以下结论：

（1）本文选择的平行热线导热系数测量方法，理论成熟，导热系数测量范围大，测量最高温度高，适合于高温及高导热的耐火材料。本文所采用的技术改造方案，也适用于许多其他设备的升级改造，由于采用分部改造的方式，可以根据原有设备的情况选择部分改造，节约改造成本。

（2）平行热线导热系数测定仪经升级改造后，导热系数测量范围从原来的(0.03~2.00)W/(m·K)提高到(0.03~20.00) W/(m·K)，测量最高温度从800℃提高到1250℃，达到预期的技术指标。

（3）所研制的外置数据采集单元，可用于多种需要温度采集的场所。配合外置数据采集单元专门设计了平行热线法导热系数测量软件，可以实现导热系数测量、温度监控、数据修正等多种功能，并预留了扩展接口。

（4）对影响材料导热系数及测量的多个因素进行了分析，影响较大的有外界电磁干扰、环境温度的稳定度、使用温度、试样表面不平整度、热线加热功率、热线和测温热电偶埋设等。

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