导热系数

导热系数是指材料传递或传导热量的内在能力。材料的导热系数具有多方面的重要意义。在热传递是关键因素的工程环境中，导热系数是材料设计、工程和应用的基础，例如：

• 能源效率和热管理

• 材料选择与应用

• 安全与防护

• 工业流程

• 材料科学创新

• 建筑与施工

理解导热系数（TC）对于优化热管理系统、提高能源效率、确保安全、指导材料选择、推动创新以及提升产品和过程的性能与可持续性至关重要。

什么是导热系数？

导热系数（通常用 k、λ 或 κ 表示）是指材料传递或传导热量的内在能力。它也被定义为：单位厚度的材料板，在其两面温差为一个单位时，单位时间内通过单位面积传导的热量。

它是三种传热方式之一，另外两种是对流和辐射。传热过程可以通过适当的速率方程进行量化。傅立叶导热定律构成了这种传热模式下速率方程的基础。

导热系数示意图

图1. 导热系数示意图

热传导通过分子碰撞和接触发生，不会导致固体本身的整体运动。热量沿着温度梯度移动，从高温和高分子能量的区域移动到较低温度和较低分子能量的区域。热传递将持续到两个物体达到相同温度，即热平衡。热量传递的速率取决于温度梯度的大小和材料的特定热特性。

导热系数公式与单位

导热系数使用国际单位制（SI 单位）W/m·K（瓦特每米每开氏度）进行量化，是热阻率的倒数，热阻率衡量的是物体抵抗热传递的能力。它可以使用以下公式计算：

计算样品导热系数的公式。

图1. 计算样品导热系数的公式

其中：

Q = 热流（W）

L = 材料的长度或厚度（m）

A = 材料的表面积（m²）

T2−T1 = 温度梯度（K）

导热系数测量技术

测试材料导热系数有两种方法：稳态法和瞬态法。这两种方法的工作原理有所不同。稳态法要求在测量开始之前，样品和参考件处于热平衡状态。而瞬态法则不需要满足这一条件，可以更快地提供结果。

稳态法

稳态技术在样品两端建立恒定的温差，并测量由此产生的热流。这种方法需要达到热平衡，此时时间不会影响或改变测试样品的温度。

该方法的工作原理是：向样品施加已知的热通量，并测量其温差。一旦样品达到稳态温度（样品各处的温度恒定，随时间推移无变化记录），就可以开始计算导热系数。稳态法假定介质是各向同性的，并假设为一维热流。

稳态技术的一个示例。

图2. 稳态技术的一个示例

许多方法都被认为是稳态技术，每种方法都有特定的配置和应用。例如，将样品放置在具有已知功率输出的热源和冷源之间，会在给定的样品长度上产生温度降，这被称为绝对技术。

影响稳态测量精度的变量包括：设置过程中的辐射和对流热损失，以及被测样品厚度的误差。尽管存在潜在的误差来源，稳态方法在测量可以实现稳态条件的材料的导热系数方面仍然很有价值。然而，使用稳态方法通常需要一个设计精良的设置才能执行准确的测试。

瞬态法

瞬态法通过观察样品随时间对温度变化的响应来确定其热性能。

与需要在样品两端建立恒定温度梯度的稳态技术不同，瞬态法涉及向样品施加一个热脉冲（或周期性热源），然后测量作为时间函数的温度响应。

瞬态法的一个例子是瞬态热线法（THW），用于测量液体的导热系数。THW 方法涉及将一根细丝插入样品中。这根细丝既是热源又是温度传感器，当电流通过细丝时，温度升高，记录下随时间变化的温度上升情况。

瞬态法的另一个例子是瞬态线源法（TLS），用于确定固体（如岩石、混凝土或聚合物）的热性能。与 THW 类似，该方法将探头插入样品中。对于 TLS 方法，针状探头充当热源和电阻温度计。当探头插入样品后，材料被加热一段设定时间，并以恒定时间间隔测量温度。

说明瞬态法测量导热系数的示意图。

图3. 说明瞬态法测量导热系数的示意图

虽然瞬态法允许相对快速地完成这些测量，但从数学上分析测量数据更为复杂。包括 THW 和 TLS 在内的瞬态法因其速度快、灵活性高以及能够测量多种材料（包括稳态法难以处理的材料）而备受青睐。

温度如何影响导热系数？

样品的导热系数会随着温度的升高或降低而发生剧烈变化。由于分子运动是热传导的基础，因此材料的温度对导热系数有显著影响。

分子在较高温度下运动更快，这意味着热量将通过材料更快地传递。理解温度对热传导的影响对于确保产品在受到热应力时表现如预期至关重要，这对于处理发热产品（如电子产品）以及开发防火和防热材料以最大限度地降低安全风险尤为重要。

说明较高温度和较低温度下分子速度的示意图。

图4. 说明较高温度和较低温度下分子速度的示意图

重要的是要理解，温度影响的本质因材料类型而异。例如：

金属：金属中的导热系数主要归因于自由电子。许多纯金属在极低温度下会出现导热系数的峰值。随着温度升高，金属的导热系数通常会下降，因为在较高温度下，增加的声子散射（晶格结构内的振动）会减小电子的平均自由程，从而降低导热系数。

非金属：对于非金属固体，导热系数主要归因于声子。与金属不同，非金属的导热系数在较高温度下不会显著下降，除了在低温下高质量晶体中载流子因缺陷引起的散射会降低导热系数——在远低于德拜温度的低温下，导热系数和热容都会降低。然而，在高温下，非金属的导热系数趋于大致恒定。

气体：气体的导热系数随温度升高而增加，因为气体中热传导的基础——分子运动——在较高温度下变得更加剧烈。随着内部粒子速度的增加，导热系数也随之增加，使热量能够以更小的阻力传递。这种行为由维德曼-弗兰兹定律描述，该定律将热导率和电导率与温度关联起来。然而，需要注意的是，温度对气体导热系数的影响是非线性的，只能通过特定数据进行预测。

相变：当材料经历从固态到液态的相变时，导热系数可能会发生突变。例如，当冰在0°C融化形成液态水时，导热系数从2.18 W/(m·K)变为0.56 W/(m·K)。类似地，流体的导热系数在气液临界点附近会发生发散。

各向异性材料：由于其各向异性特性，某些物质可能沿不同晶轴表现出不同的导热系数。例如，蓝宝石根据取向和温度具有可变的导热系数，沿c轴和a轴的值不同。

影响导热系数的其他因素

有多种因素影响材料传递和传导热量的能力。这些因素通常可以分为材料组成、物理性质、环境条件和结构特征。

影响导热系数测量的其他因素。

图5. 影响导热系数测量的其他因素

材料组成

化学成分：材料的化学成分显著影响其导热系数，因为不同的元素和化合物具有不同的导热能力。

水分含量：一般来说，水分含量较高的材料会增加导热系数，因为水的导热系数高于空气。

物理性质

密度和堆积密度：密度较高的材料通常具有较高的导热系数，因为分子或原子排列更紧密，可以更有效地传递热量。

材料相态：材料的相态（固态、液态、气态）极大地影响导热系数。例如，冰融化成液态水后，其导热系数显著降低。

环境条件

气流速度：流过或穿过材料的空气或流体的速度会影响导热系数的测量。

压力：施加在样品上的外部压力会影响气体和某些液体的导热系数，因为它改变了密度，从而影响了传热特性。

结构特征

厚度：材料的厚度会影响热量通过其传导的速率。较厚的材料通常具有较高的热阻，从而影响其整体导热系数。

材料老化：随着时间的推移，材料会发生物理和化学变化，例如降解或压实，这些也会影响导热系数。

热各向异性：某些材料由于其晶体结构或加工方式，在不同方向上表现出不同的导热系数。这种方向依赖性会显著影响材料的整体热行为。

晶格长度和边缘终止状态：在石墨烯等材料中，晶格的长度和边缘的状态会影响导热系数。更长的晶格长度和特定的边缘终止方式可以促进更好的热传递。

测试与测量导热系数

导热系数是材料之间关系的关键组成部分。有效的导热系数测试和测量对于在所有行业的应用中实现材料的最佳性能至关重要。

测试导热系数

测试方法取决于被测材料，包括：

瞬态平面热源法（TPS）

瞬态平面热源法采用一个双螺旋形的传感器，将其放置在与样品材料表面接触的位置。通过传感器发送一个热脉冲，并记录由此产生的温升。根据传感器温度恢复到原始状态的速率，计算出样品的热性能。

瞬态平面热源法最适合测试固体、膏体和粉末。

瞬态热线法（THW）

使用瞬态热线法时，将一根细加热丝完全浸入被测样品的小体积中。通过导线发送电流，加热导线和样品。随时间测量导线中的电阻，从而确定被测样品的热性能。

瞬态热线法测试液体和相变材料的热性能。

热流计法（HFM）

热流计法是一种确定隔热材料和建筑材料热性能的稳态方法。该方法将样品置于两块已知温差的板之间。测量通过样品的热流速率，并根据特定样品的尺寸计算导热系数。

热流计法测量隔热材料和建筑材料的导热系数和热阻，最适合用于隔热产品、建筑材料、包装和组件。

瞬态线源法（TLS）

TLS 方法利用一根长而细的针状探头，该探头既充当热源又充当电阻温度计。将针状探头完全插入样品中，材料被加热一段设定时间，同时以恒定时间间隔测量温度。

在冷却期间，以相同的时间间隔重新读取温度读数。然后利用获得的数据和以下公式确定样品的导热系数：

k = q/4πa

其中 k 是以 W/mK 为单位的导热系数，q 是探头的加热功率，a 是温升相对于时间对数曲线的斜率。