测量粉末材料的热导率

粉末材料的热导率需求

粉末是一种松散堆积且能自由流动的细颗粒状散装固体。它们可以有多种不同的形态和尺寸，这极大地改变了它们的特性和应用。非常粗糙的粉末常见于地质应用中，如松散的土壤或砾石，其特性常被用于表征建筑材料的质量或某一地区的环境条件。更细的粉末通常用于爆炸物应用，或用于增材制造，在增材制造中金属粉末有助于制造新零件。金属粉末越来越多地被用作添加剂，以提高聚合物或新型复合材料等传统绝缘材料的热性能。

粉末在工业和研究中的广泛应用使得能够准确、快速地表征其诸如热导率等特性变得十分重要，因为这是最终材料热性能的一个重要指标。

图 1. MTPS 热导率传感器，配备有粉末池。将粉末置于传感器顶部，并用所提供的重物压实

图 2. 科学家在热室中使用 TLS 针式探头，将TLS 针式探头放入装有样品粉末的小瓶中

图 3. 金属粉末，常用于金属增材制造。这些粉末可能相当昂贵，这意味着小测试量是可取的

测量粉末的有效热导率

表征粉末形式的材料比表征相同材料的刚体形式面临许多不同的挑战和需要考虑的因素。特别是，由于粉末颗粒尺寸小且颗粒之间缺乏强连接，它们更容易受到环境变化的影响。因此，测量粉末的有效热导率通常更有用，因为它将周围环境的条件作为一个整体来考虑。

例如，由于粉末堆积松散，样品中存在空气。空气的含量会根据施加在粉末上的压缩载荷而变化；更大的力会导致粉末堆积更紧密，从而空气更少。测量有效热导率时会考虑到这一点，这一点很重要，因为可以对样品进行布置，以最能代表最终使用条件。

C - Therm 公司的 Trident 热导率仪根据所检测粉末的类型，提供了多种测量粉末有效热导率的方法。特别是，改进型瞬态平面源（MTPS）传感器和瞬态线源（TLS）传感器都设计用于快速、准确地测量粉末的热导率。具体而言，MTPS 所需的体积小至 1.5 ml，这使得它对于含能粉末和昂贵粉末都很适用。

图 4. C-Therm 公司的Trident热导率仪，配备了瞬态线源（TLS）和多瞬态平面热源（MTPS）传感器，能够测量粉末材料的热导率

案例亮点一

使用金属氢化物的储氢系统

近年来，为淘汰碳基能源，关于氢基能源经济发展的研究已广泛开展。因此，金属氢化物展现出巨大潜力 — 只需通过加热，它们就能稳定释放氢气。了解氢化钠（NaAlH₄）等金属氢化物粉末的热学性质至关重要，这有助于确定其热响应特性以及释氢速率。

D-Therm 公司的热导率仪采用改进型瞬态平面热源（MTPS）传感器，用于测量所有金属氢化物的热导率。对这些氢化物的测量分为两种形态：粉末状，以及将粉末在 6 吨压力下压制而成的片状。测量结果如下。

图 5. 显示各种金属氢化物在压实状态和粉末状态下的热导率

不出所料，压制样品表现出高得多的热导率，这表明压制样品可能更适合储氢，因为它们能更快地达到所需热量。

此信息最初来自《金属氢化物的热导率和比热测量》一文，可在此处链接找到。

链接：https://ctherm.com/resources/tech-library/thermal-conductivity-and-specific-heat-measurements-of-metal-hydrides/

案例亮点二

金属增材制造的高温模拟建模

在金属增材制造中，通常需要借助模拟来辅助零件设计。在处理激光熔化过程时，获取粉末精确的热物理数据至关重要，这样才能确保其在制造过程中的表现符合预期。目前，生成热导率数值颇具挑战性，通常采用近似方法。常见的解决办法包括假设热导率与温度无关，或假设其为块状材料热导率的 20% - 60%，又或者在工艺条件下对热导率进行深度模拟。这些方法要么不准确，要么资源消耗极大。

获取准确数据的一种方法是使用瞬态线源（TLS）传感器。TLS - HT300 能够精确测量温度高达 300℃ 的粉末的热导率。

图 6. TLS-HT300 封装在一个小瓶中，小瓶内装有用于增材制造的 Ti-6Al-4V 粉末样品

TLS 探头能够在高达 300°C 的温度下进行可重复测量，从而在无需额外计算资源的情况下，构建出具有更精确热性能的改进材料模型。

这些数据由汉堡大学收集，可在此处链接上查看。

链接：https://ctherm.com/resources/webinars/thermal-conductivity-in-additive-manufacturing/