测量绝缘材料的热导率

绝缘材料

测量绝缘材料的热导率

隔热材料旨在减少或阻止其所应用区域的热量传递。这类材料在包装、建筑、汽车、航天器、服装等诸多应用领域中广泛可见并得到使用。

本质上，隔热材料的一项关键性能属性是其热导率。热导率低的材料具有高的热阻。

为实现加速表征，C - Therm 公司的 Trident 热导率分析仪提供了一系列瞬态方法，其中包括改进型瞬态平面热源（MTPS）技术。MTPS 方法提供了一种快速、简便且准确的方式来测量隔热样品的热导率，无需样品制备或接触剂。它能在短时间内提供一种补充性的隔热性能测试手段，适用于快速研发测试和质量控制检测。此外，由于专利传感器采用单面测试方法，该技术能够在更广泛的条件下（如温度、湿度、压力、手套箱等）对样品进行测试。

图 1. 由于气凝胶的导热系数极低，它们越来越多地被用作电动汽车电池组中的隔热材料。C-Therm 公司的Trident MTPS提供了一种有效快速表征气凝胶导热性能的方法。

图 2. MTPS 传感器测试聚苯乙烯泡沫（EPS）的热导率

图 3. C-Therm Trident 热导率仪

案例亮点一

膨胀聚苯乙烯泡沫样品的热导率测量：与传统防护热板法的对比

膨胀聚苯乙烯板（EPS 泡沫）是一种应用广泛的塑料，常用于包装和建筑保温领域。它具有极低的热导率，因此是提供 thermal insulation（隔热）的理想材料。

下图 4 展示了 TCi 仪器对美国国家标准与技术研究院（NIST）提供的 EPS 认证标准样品的测试结果，该样品的热导率同时通过防护热板（GHP）法进行了测定。防护热板法是一种高精度、高可靠性的热导率测量方法，但测试一个样品需要数小时，加之等待结果的时间以及严苛的样品尺寸要求，可能会给部分用户带来较大负担。

如图 4 所示，使用 C-Therm TCi 热导率分析仪对 NIST 标准样品的平均测试结果为 0.0329 W/mK，相对标准偏差（RSD）为 0.19%。这与 NIST 通过防护热板法测得的 0.0337 W/mK 相比，差值为 2.13%。所有测试均在约 24°C 条件下进行。

图 4. C-Therm TCi 热导率分析仪与传统防护热板法的对比

本次测试结果与标准值的偏差为 2.13%，处于 NIST 标准物质证书中标注的 2.4% 不确定度范围内。这些测试结果体现了客户使用 C-Therm TCi 热导率分析仪在表征多种样品材料时通常能达到的高精度。

以下测试结果突出了热常数分析仪（TCi）在绝缘材料质量控制测试中的应用。一块聚苯乙烯泡沫（EPS）样本取自新不伦瑞克省弗雷德里克顿当地的家得宝（Home Depot）商店。对 TrueFoam™样本在 10 个不同位置进行了测试，以评估绝缘材料的整体质量以及样本的均匀性。图 5 绘制了这些结果, 请注意，此次 X 轴绘制的是不同的测量位置，与上图 4 不同，图 4 绘制的是同一位置的多次测量结果。测试结果表明，该产品具有出色的绝缘质量，平均热导率为 0.033 W/mK，并且在多个位置的性能高度均匀，相对标准偏差为 0.6%。由于该产品的规格优于 0.0363 W/mK，C-Therm 公司发现该绝缘材料超过了产品规定的性能规格。所有测试均在 10 分钟内完成（每次测量耗时不到 3 s，测量间隔为 60 s）。

图 5. 热常数分析仪（TCi）在绝缘材料质量控制测试中的应用

在制造业中，C - Therm TCi 热导率分析仪能够准确、快速地测量产品的热导率，从而提供更多有价值的信息，以便生产部门了解产品是否始终符合规格要求。在此示例中，测试结果显示热导率优于规定值，且样品材料的一致性极佳。

案例亮点二

高温隔热材料的热导率

高温热导率测量对于高温环境中材料的探索和性能评估至关重要。隔热材料，如熔炉隔热材料和高温流体输送管道，其设计和应用旨在防止热量在这种环境中从系统泄漏到周围环境。

传统上，使用瞬态方法在高温下准确测量热导率一直很难实现，这主要是由于传感器材料的限制。传统传感器使用玻璃或塑料介电涂层以及硅基密封剂来保护传感器芯片，但在高温下可能会变软，从而损坏传感器和（或）导致材料热导率测量不准确。一些传统的瞬态方法使用云母基绝缘材料，这种材料非常易碎，通常导致传感器只能使用一次。C-Therm 公司用于隔热材料的Trident热导率分析仪高温模块是进行高达 500°C 热导率测量的领先方法，因为它采用了带有氧化铝电介质和陶瓷密封剂的特殊传感器芯片，以确保在高温下不会变软并能正常运行。此外，其独特、坚固的单面设计和氧化铝传感器芯片可保护传感器在正常使用中免受机械损伤，并且在日常操作中不易分层或破损，从而使传感器可以无限次重复使用。

图 6. 本研究中使用的高密度陶瓷隔热板

通过测量一块高密度陶瓷板（图 1）在 300 至 500°C 之间的热导率，展示了 TCi 的高温传感器性能。此前，该陶瓷板已按照 ASTM 标准 C201 进行了特性分析，这是一种用于热耐火材料特性分析的稳态方法，其原理与防护热流计装置类似。在 ASTM 标准 C201 中，将样品置于加热腔内，使用铜量热计测量热流，同时维持样品热端和冷端之间的设定温差。作为一种稳态方法，数据采集需要使用按照精确规格加工的大尺寸样品，且用于分析的数据采集可能需要数小时或数天。与稳态技术相比，TCi 热导率分析仪具有几个关键优势：TCi 可在 1 至 3 秒内完成一次测量，而稳态技术则需要 30 分钟或更长时间，这使得在相同时间内能够采集更多数据。与典型的稳态技术相比，TCi 使用的样品更小，灵活性更高，达到设定温度所需的时间也比典型的稳态技术更短，并且无需精密加工，从而能够为高温隔热应用更快、更轻松地采集数据。

图 7. 300 至 500°C 之间的高密度陶瓷隔热板的热导率，与预期值存在 3% 的误差

如图 7 所示，C-Therm 公司的 TCi 热导率分析仪能够精确测量材料在高温下的热导率。在 300 至 500℃ 的温度范围内，测量结果与陶瓷绝缘板的预期值高度吻合（精度优于 3%）。这种快速、精确的高温热导率测量，对于高温应用的材料选择和研究至关重要。

案例亮点三

气凝胶热导率性能的快速评估

气凝胶是一类相对较新的超轻多孔材料，通常由凝胶衍生而来。在气凝胶中，凝胶的液体成分已被气体（通常为空气）取代。由于其极轻的特性，大多数气凝胶样品呈现半透明的淡蓝色外观。气凝胶的孔隙率通常超过 98%（即单位体积中，气凝胶的孔隙体积占比超过 98%）。气凝胶可由多种化合物制成。

图 8. 气凝胶

气凝胶以其极低的热导率而闻名，其热导率通常比空气还低。在这方面，气凝胶材料的热导率通常被视为一项关键性能指标。这种低导热性使得气凝胶材料在隔热研究领域备受关注，工程师们一直致力于在不增加过多重量的情况下提高能源效率。

最近，一位客户提供了三种市售气凝胶样品，希望获得与规格表对比的性能数据。这些样品使用改进的瞬态平面源（MTPS）技术，通过 C-Therm Trident 热导率分析仪进行了分析。结果如下：

图 9. Trident 获取的热导率数据

可以看出，所测量的热导率性能与这些市售气凝胶样品的规定热导率非常吻合。在三种情况下，与规定值的偏差均优于 4%。 

案例亮点四

生物基隔热应用候选材料的热导率表征

建筑保温材料构成建筑物的热围护结构，减少热量传递。它们是墙体或屋顶复杂结构元素的一部分。因此，保温材料是建筑设计和施工中不可或缺的部分。

竹子是一种可持续材料，其制品被视为与木材用途相同的建筑材料，可用于地板、天花板、墙壁以及室内外设计元素中的建筑围护结构。此外，竹材具有成本低、美观等巨大优势，因此是可持续建筑中传统材料的理想替代品。

萨瓦 - 勃朗峰大学、越南国立大学和 Ton Duc Thang 大学的研究人员利用加热液压机热压工艺，以竹纤维和蛋白质基骨胶为原料制造出新型环保保温纤维板。他们在研究中探究了导热系数与密度、蛋白质含量、湿度水平以及含水量变化之间的关系。

样品的热导率通过 TCi 热导率分析仪测定，采用改进型瞬态平面热源（MTPS）法，测试温度为 25℃，该分析仪安装于 RH-Box 内部（图 10）。

图 10. 25℃下相对湿度箱内的样品照片及热导率测量

测试的样本（50±1 mm）在相对湿度 57%、温度 25℃的条件下进行预处理，直至质量恒定。首先，在相对湿度 57% 的条件下评估这些样本的热导率，随后在相对湿度 75% 的条件下进行评估；定期测量热导率，直至质量恒定。在相对湿度 75% 的条件下达到质量恒定后，在相对湿度 33% 的条件下对这些样本进行评估；同样定期测量热导率，直至质量恒定。针对每个相对湿度水平（33% 和 75%），此测量重复三个循环。热导率的变化可根据材料的密度、相对湿度和含水量的变化来测量。

图 11. 在相对湿度 57%、温度 25℃条件下，竹纤维板的导热系数与用胶量（a）和密度（b）的关系

图 12. 在相对湿度箱内，25℃、相对湿度在 75% 至 33% 之间循环三个周期时的热导率变化情况

图 13. 25℃（相对湿度：57%→75%）下纤维板的热导率随含水率变化的演变情况

综上，在 25°C、相对湿度 57% 的条件下，不同胶黏剂比例的竹纤维板热导率均较低，范围在 0.0582 至 0.0812 W・m⁻¹・K⁻¹ 之间。热导率是相对湿度和含水率的函数。