想象一下，你手握一把钥匙，能够解锁材料最深层的热学秘密。瞬态平面热源法（Transient Plane Source, TPS）就是这把钥匙——它是一种强大且多用途的技术，用于测量材料的导热能力，即导热系数（Thermal Conductivity, TC）。这种非破坏性方法不仅仅测量导热系数，它还深入热传递的核心，揭示热量在材料中流动的快慢——这一性质被称为热扩散率（Thermal Diffusivity, TD）。本文将全面探索 TPS 法的功能、应用及其相对于其他方法的独特优势。该技术的核心是 TPS 传感器——一个双螺旋盘片，同时充当热源和温度计。通过施加短暂的热脉冲并仔细记录其消散过程，材料的热行为秘密便被一一解开。

不过，TPS 法并非"一刀切"的方案。它拥有多种模块，从适用于块体材料的标准模块，到适用于薄膜和涂层的薄膜模块，不一而足。此外，TPS 法还能有效应对各向异性材料的测量挑战——这类材料在不同方向上表现出不同的导热系数。

通过本文，你将全面理解 TPS 法及其革新热管理方式的潜力。

一、热传递与热物性的重要性

热能的传递和转化存在于广泛的应用场景中——从蜡烛的柔和火焰到焊接金属零件的高温，从滋滋作响的电炉到精密的电力电子设备。理解和量化热传递及其相关性质，对于设计从日常家电到尖端技术的高效系统至关重要。

🔹 导热系数（TC）

导热系数定义了材料在温度梯度下传递热能的能力。TC 提供了一个定量框架，用以判断热量在系统中传递的"容易"或"困难"程度。例如，微处理器中的散热器需要"轻松"移除大量热量，因此需要高 TC；而房屋墙壁和屋顶的隔热材料则需要尽可能"留住"热量或冷量，因此要求非常低的 TC。TC 的 SI 单位为 W/m·K。

🔹 热扩散率（TD）

热扩散率衡量热量在介质中的传递速率。TD 决定了热量在单位时间内通过某一截面的快慢，单位为 mm²/s。

🔹 体积热容（VHC）

体积热容指单位体积材料升高 1K 所需的热量，常用单位为 J/mm³K。

TC、TD 和 VHC 是控制热传递的热输运性质。在各种应用中，测量导热系数及相关热物性对于设计具有高效热管理的最优系统越来越关键。

瞬态热分析用于确定温度随时间的变化及其相关热学量。温度分布随时间的变化在许多应用中都很重要，包括电子封装的冷却和热处理金属的淬火。喷嘴、发动机缸体和压力容器等结构应用中因热应变导致的灾难性故障，也可通过瞬态热分析进行评估。

对于瞬态测量，瞬态平面热源法（ISO 22007-2）提供了一个快速、通用且精确的框架，可同时测量多种材料（如膏体、粉末、液体、薄膜和块体材料）的 TC 和 TD。

二、TPS 法的工作原理

瞬态平面热源法是一种非破坏性技术，用于揭示材料的热学秘密。它的工作原理是将一个盘形传感器与样品紧密接触。该传感器同时充当热源和温度计。通过传感器发出一束短暂的热脉冲，使样品的温度升高——关键在于热量消散的速度。

通过细致记录传感器恢复到初始状态的温度响应，科学家可以计算出材料的导热系数——即其固有的导热能力。这种强大的方法极具通用性，适用于从精细的绝缘体到强导体的各种材料，甚至扩展到液体和流体。

在 TPS 法中，双螺旋 TPS 传感器要么夹在两半样品之间（对称测试），要么放置在样品的顶部/底部（非对称测试），另一侧使用背衬材料。TPS 传感器作为"热源"提供升高样品温度所需的功率，同时作为"电阻温度计"记录随时间变化的温度升高。这种方法可以同时测量传递给样品的功率和热输运性质，这与激光闪射法（ASTM E1461）等其他方法不同。

TPS 传感器由导电的双螺旋镍箔组成，封装在薄层电绝缘材料之间。双螺旋形状消除了热线法（ASTM D7896）和热板法（ASTM D5930）等所需的长样品尺寸限制。

Thermtest 提供多种尺寸的传感器以适应广泛的样品尺寸。Thermtest 专利的 TPS 接触分析框架消除了传感器与样品表面之间的接触热阻影响，提供了一种确定材料真实体积特性的独特方法。

TPS 测量在 Thermtest 专有的测量平台（MP-1）上进行。MP-1 是一款与多种传感器兼容的导热系数测量仪，配备能够进行数据采集和瞬态分析的软件，可对热输运性质进行稳健测量。

三、标准模块：块体材料的对称测试

在 TPS 标准模块中，传感器被居中放置在两个具有平坦表面的相同样品之间。这种配置称为对称三维法。传感器提供恒定功率，同时在选定的时间间隔内测量温度读数。图 4 展示了使用 PyroCeram 的 3D 对称配置。将测量值与参考值进行比较时，TC 偏差在 2% 以内。

室温下 TPS 标准模块样品和传感器组件（使用 PyroCeram 样品）]

四、各向异性模块：电池热管理的利器

可充电锂离子电池是目前替代化石燃料的最可行能源方案。电池单元通常有不同的几何形状/配置，如圆柱形、棱柱形和软包电池。众多电池单元堆叠在一起形成电池组，用于从电力电子到汽车的各种应用。

电池在充放电过程中产生的热量可能损害电池寿命，如果不加控制，可能导致灾难性故障——即热失控。锂离子电池的导热系数显著影响电池温度分布，因此 TC 测量对于设计高效热管理系统、延长电池寿命和预防热失控至关重要。

电池在面内和面外方向上表现出方向性导热系数——这一性质称为各向异性。Thermtest 定制的电池外壳可以使用 MP-1 TPS 方法配合各向异性模块同时测量面内和面外导热系数。

使用各向异性模块进行电池测试的实验装置

以型号 21700 的圆柱形电池（直径 21mm，高度 70mm）为例，测试其方向性 TC 和 TD。TPS 传感器放置在已知背衬绝缘体和电池之间。使用温度平台在不同工作温度（25°C、50°C、80°C）下进行测量。关于传感器-样品取向，轴向/面内方向指向电池核心，径向/面外方向沿电池长度方向。

📞 如需定制电池测试，请联系我们。

五、薄膜模块：攻克薄膜测量难题

薄膜在包装、电子和光学涂层行业具有多种功能应用。薄膜充当基底与外部环境之间的屏障，例如汽车和航空航天行业的保护层、食品包装和半导体行业的密封剂，以及玻璃上的表面改性层（薄膜光学）。

薄膜的性质极大地影响基底的温度分布。例如，Airloy® X116 等轻质隔热薄膜在热屏蔽应用中至关重要，用于保护内部免受极端外部条件的影响。

由于薄膜尺寸小、探测深度有限，测量其导热系数颇具挑战。此外，薄膜在自重下容易变形，使得传统的瞬态和稳态方法不可靠。Thermtest 开发了瞬态热阻-薄膜（TTR-TF）模块来解决这些问题。

该模块提供了一种快速便捷的方法来测量厚度达 1mm 的薄膜。TTR-TF 模块也可用于胶粘剂、膏体和涂层。

TTR-TF 模块的测试设置

MP-1 TPS 配合 TTR-TF 模块使用直径为 20mm 的传感器和四块直径为 21mm 的钢片。其中两块长度为 l₁ = 3mm，另外两块长度为 l₂ = 25mm。将两张复印纸（89μm 厚）和 Airloy® X116（400μm 厚）切成直径为 21mm 的圆片。薄膜样品放置在 l₁ 和 l₂ 之间。

测试在 1W 功率输入下进行，持续 5 秒，环境温度 23°C。TTR-TF 模块测量薄膜的瞬态热阻（TR），并结合薄膜厚度计算 TC。图 8 所示的测试结果显示与参考值吻合良好（偏差在 5% 以内）。

使用 TTR 薄膜模块测试的复印纸和 Airloy 的导热系数结果

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六、TPS 法的独特优势

七、常见问题解答

问：TPS 法与 MTPS 法有何区别？

答：瞬态平面热源法（TPS）使用双螺旋盘片传感器，可进行对称或非对称测试，适用于多种材料。改进型瞬态平面热源法（MTPS）采用单面传感器配合已知背衬绝缘体，更方便且无需校准，特别适用于多孔和薄材料。

问：TPS 设备是什么？

答：TPS 设备是一种用于高精度测量材料导热系数及其他热性质的尖端仪器。该系统使用扁平盘状传感器，同时作为热源和温度传感器。通过向传感器施加受控热脉冲，检测样品材料内的瞬态温度变化，从而精确分析导热系数、比热和热扩散率。Thermtest 的 TPS 设备专为高效可靠的热分析而设计，是广泛行业和研究应用的理想工具。

问：TPS 法可以测量哪些材料？

答：TPS 法可测量块体固体、粉末、膏体、液体、薄膜（厚度 ≤ 1mm）、金属箔、各向异性材料（如电池、复合材料）等。

八、结语：热物性表征的黄金标准

TPS 法是精确测量各种材料 TC 和 TD 的强大工具。本文概述了使用 TPS 法理解和量化热输运性质的重要性。除了块体材料和薄膜，TPS 还可应用于测量各种粉末、膏体、各向异性材料、液体和金属箔。

在 Thermtest，我们专注于使用国际标准（ASTM 和 ISO）测量热物性。我们期待协助您解决热管理需求。