絕緣材料

測(cè)量絕緣材料的熱導(dǎo)率

隔熱材料旨在減少或阻止其所應(yīng)用區(qū)域的熱量傳遞。這類材料在包裝、建筑、汽車、航天器、服裝等諸多應(yīng)用領(lǐng)域中廣泛可見(jiàn)并得到使用。

本質(zhì)上，隔熱材料的一項(xiàng)關(guān)鍵性能屬性是其熱導(dǎo)率。熱導(dǎo)率低的材料具有高的熱阻。

為實(shí)現(xiàn)加速表征，C - Therm 公司的 Trident 熱導(dǎo)率分析儀提供了一系列瞬態(tài)方法，其中包括改進(jìn)型瞬態(tài)平面熱源（MTPS）技術(shù)。MTPS 方法提供了一種快速、簡(jiǎn)便且準(zhǔn)確的方式來(lái)測(cè)量隔熱樣品的熱導(dǎo)率，無(wú)需樣品制備或接觸劑。它能在短時(shí)間內(nèi)提供一種補(bǔ)充性的隔熱性能測(cè)試手段，適用于快速研發(fā)測(cè)試和質(zhì)量控制檢測(cè)。此外，由于專利傳感器采用單面測(cè)試方法，該技術(shù)能夠在更廣泛的條件下（如溫度、濕度、壓力、手套箱等）對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試。

圖 1. 由于氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)極低，它們?cè)絹?lái)越多地被用作電動(dòng)汽車電池組中的隔熱材料。C-Therm 公司的Trident MTPS提供了一種有效快速表征氣凝膠導(dǎo)熱性能的方法。

圖 2. MTPS 傳感器測(cè)試聚苯乙烯泡沫（EPS）的熱導(dǎo)率

圖 3. C-Therm Trident 熱導(dǎo)率儀

案例亮點(diǎn)一

膨脹聚苯乙烯泡沫樣品的熱導(dǎo)率測(cè)量：與傳統(tǒng)防護(hù)熱板法的對(duì)比

膨脹聚苯乙烯板（EPS 泡沫）是一種應(yīng)用廣泛的塑料，常用于包裝和建筑保溫領(lǐng)域。它具有極低的熱導(dǎo)率，因此是提供 thermal insulation（隔熱）的理想材料。

下圖 4 展示了 TCi 儀器對(duì)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）提供的 EPS 認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)樣品的測(cè)試結(jié)果，該樣品的熱導(dǎo)率同時(shí)通過(guò)防護(hù)熱板（GHP）法進(jìn)行了測(cè)定。防護(hù)熱板法是一種高精度、高可靠性的熱導(dǎo)率測(cè)量方法，但測(cè)試一個(gè)樣品需要數(shù)小時(shí)，加之等待結(jié)果的時(shí)間以及嚴(yán)苛的樣品尺寸要求，可能會(huì)給部分用戶帶來(lái)較大負(fù)擔(dān)。

如圖 4 所示，使用 C-Therm TCi 熱導(dǎo)率分析儀對(duì) NIST 標(biāo)準(zhǔn)樣品的平均測(cè)試結(jié)果為 0.0329 W/mK，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為 0.19%。這與 NIST 通過(guò)防護(hù)熱板法測(cè)得的 0.0337 W/mK 相比，差值為 2.13%。所有測(cè)試均在約 24°C 條件下進(jìn)行。

圖 4. C-Therm TCi 熱導(dǎo)率分析儀與傳統(tǒng)防護(hù)熱板法的對(duì)比

本次測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差為 2.13%，處于 NIST 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書(shū)中標(biāo)注的 2.4% 不確定度范圍內(nèi)。這些測(cè)試結(jié)果體現(xiàn)了客戶使用 C-Therm TCi 熱導(dǎo)率分析儀在表征多種樣品材料時(shí)通常能達(dá)到的高精度。

以下測(cè)試結(jié)果突出了熱常數(shù)分析儀（TCi）在絕緣材料質(zhì)量控制測(cè)試中的應(yīng)用。一塊聚苯乙烯泡沫（EPS）樣本取自新不倫瑞克省弗雷德里克頓當(dāng)?shù)氐募业脤殻℉ome Depot）商店。對(duì) TrueFoam?樣本在 10 個(gè)不同位置進(jìn)行了測(cè)試，以評(píng)估絕緣材料的整體質(zhì)量以及樣本的均勻性。圖 5 繪制了這些結(jié)果, 請(qǐng)注意，此次 X 軸繪制的是不同的測(cè)量位置，與上圖 4 不同，圖 4 繪制的是同一位置的多次測(cè)量結(jié)果。測(cè)試結(jié)果表明，該產(chǎn)品具有出色的絕緣質(zhì)量，平均熱導(dǎo)率為 0.033 W/mK，并且在多個(gè)位置的性能高度均勻，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為 0.6%。由于該產(chǎn)品的規(guī)格優(yōu)于 0.0363 W/mK，C-Therm 公司發(fā)現(xiàn)該絕緣材料超過(guò)了產(chǎn)品規(guī)定的性能規(guī)格。所有測(cè)試均在 10 分鐘內(nèi)完成（每次測(cè)量耗時(shí)不到 3 s，測(cè)量間隔為 60 s）。

圖 5. 熱常數(shù)分析儀（TCi）在絕緣材料質(zhì)量控制測(cè)試中的應(yīng)用

在制造業(yè)中，C - Therm TCi 熱導(dǎo)率分析儀能夠準(zhǔn)確、快速地測(cè)量產(chǎn)品的熱導(dǎo)率，從而提供更多有價(jià)值的信息，以便生產(chǎn)部門了解產(chǎn)品是否始終符合規(guī)格要求。在此示例中，測(cè)試結(jié)果顯示熱導(dǎo)率優(yōu)于規(guī)定值，且樣品材料的一致性極佳。

案例亮點(diǎn)二

高溫隔熱材料的熱導(dǎo)率

高溫?zé)釋?dǎo)率測(cè)量對(duì)于高溫環(huán)境中材料的探索和性能評(píng)估至關(guān)重要。隔熱材料，如熔爐隔熱材料和高溫流體輸送管道，其設(shè)計(jì)和應(yīng)用旨在防止熱量在這種環(huán)境中從系統(tǒng)泄漏到周圍環(huán)境。

傳統(tǒng)上，使用瞬態(tài)方法在高溫下準(zhǔn)確測(cè)量熱導(dǎo)率一直很難實(shí)現(xiàn)，這主要是由于傳感器材料的限制。傳統(tǒng)傳感器使用玻璃或塑料介電涂層以及硅基密封劑來(lái)保護(hù)傳感器芯片，但在高溫下可能會(huì)變軟，從而損壞傳感器和（或）導(dǎo)致材料熱導(dǎo)率測(cè)量不準(zhǔn)確。一些傳統(tǒng)的瞬態(tài)方法使用云母基絕緣材料，這種材料非常易碎，通常導(dǎo)致傳感器只能使用一次。C-Therm 公司用于隔熱材料的Trident熱導(dǎo)率分析儀高溫模塊是進(jìn)行高達(dá) 500°C 熱導(dǎo)率測(cè)量的領(lǐng)先方法，因?yàn)樗捎昧藥в醒趸X電介質(zhì)和陶瓷密封劑的特殊傳感器芯片，以確保在高溫下不會(huì)變軟并能正常運(yùn)行。此外，其獨(dú)特、堅(jiān)固的單面設(shè)計(jì)和氧化鋁傳感器芯片可保護(hù)傳感器在正常使用中免受機(jī)械損傷，并且在日常操作中不易分層或破損，從而使傳感器可以無(wú)限次重復(fù)使用。

圖 6. 本研究中使用的高密度陶瓷隔熱板

通過(guò)測(cè)量一塊高密度陶瓷板（圖 1）在 300 至 500℃ 之間的熱導(dǎo)率，展示了 TCi 的高溫傳感器性能。此前，該陶瓷板已按照 ASTM 標(biāo)準(zhǔn) C201 進(jìn)行了特性分析，這是一種用于熱耐火材料特性分析的穩(wěn)態(tài)方法，其原理與防護(hù)熱流計(jì)裝置類似。在 ASTM 標(biāo)準(zhǔn) C201 中，將樣品置于加熱腔內(nèi)，使用銅量熱計(jì)測(cè)量熱流，同時(shí)維持樣品熱端和冷端之間的設(shè)定溫差。作為一種穩(wěn)態(tài)方法，數(shù)據(jù)采集需要使用按照精確規(guī)格加工的大尺寸樣品，且用于分析的數(shù)據(jù)采集可能需要數(shù)小時(shí)或數(shù)天。與穩(wěn)態(tài)技術(shù)相比，TCi 熱導(dǎo)率分析儀具有幾個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：TCi 可在 1 至 3 秒內(nèi)完成一次測(cè)量，而穩(wěn)態(tài)技術(shù)則需要 30 分鐘或更長(zhǎng)時(shí)間，這使得在相同時(shí)間內(nèi)能夠采集更多數(shù)據(jù)。與典型的穩(wěn)態(tài)技術(shù)相比，TCi 使用的樣品更小，靈活性更高，達(dá)到設(shè)定溫度所需的時(shí)間也比典型的穩(wěn)態(tài)技術(shù)更短，并且無(wú)需精密加工，從而能夠?yàn)楦邷馗魺釕?yīng)用更快、更輕松地采集數(shù)據(jù)。

圖 7. 300 至 500℃ 之間的高密度陶瓷隔熱板的熱導(dǎo)率，與預(yù)期值存在 3% 的誤差

如圖 7 所示，C-Therm 公司的 TCi 熱導(dǎo)率分析儀能夠精確測(cè)量材料在高溫下的熱導(dǎo)率。在 300 至 500℃ 的溫度范圍內(nèi)，測(cè)量結(jié)果與陶瓷絕緣板的預(yù)期值高度吻合（精度優(yōu)于 3%）。這種快速、精確的高溫?zé)釋?dǎo)率測(cè)量，對(duì)于高溫應(yīng)用的材料選擇和研究至關(guān)重要。

案例亮點(diǎn)三

氣凝膠熱導(dǎo)率性能的快速評(píng)估

氣凝膠是一類相對(duì)較新的超輕多孔材料，通常由凝膠衍生而來(lái)。在氣凝膠中，凝膠的液體成分已被氣體（通常為空氣）取代。由于其極輕的特性，大多數(shù)氣凝膠樣品呈現(xiàn)半透明的淡藍(lán)色外觀。氣凝膠的孔隙率通常超過(guò) 98%（即單位體積中，氣凝膠的孔隙體積占比超過(guò) 98%）。氣凝膠可由多種化合物制成。

圖 8. 氣凝膠

氣凝膠以其極低的熱導(dǎo)率而聞名，其熱導(dǎo)率通常比空氣還低。在這方面，氣凝膠材料的熱導(dǎo)率通常被視為一項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)。這種低導(dǎo)熱性使得氣凝膠材料在隔熱研究領(lǐng)域備受關(guān)注，工程師們一直致力于在不增加過(guò)多重量的情況下提高能源效率。

最近，一位客戶提供了三種市售氣凝膠樣品，希望獲得與規(guī)格表對(duì)比的性能數(shù)據(jù)。這些樣品使用改進(jìn)的瞬態(tài)平面源（MTPS）技術(shù)，通過(guò) C-Therm Trident 熱導(dǎo)率分析儀進(jìn)行了分析。結(jié)果如下：

圖 9. Trident 獲取的熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)

可以看出，所測(cè)量的熱導(dǎo)率性能與這些市售氣凝膠樣品的規(guī)定熱導(dǎo)率非常吻合。在三種情況下，與規(guī)定值的偏差均優(yōu)于 4%。 

案例亮點(diǎn)四

生物基隔熱應(yīng)用候選材料的熱導(dǎo)率表征

建筑保溫材料構(gòu)成建筑物的熱圍護(hù)結(jié)構(gòu)，減少熱量傳遞。它們是墻體或屋頂復(fù)雜結(jié)構(gòu)元素的一部分。因此，保溫材料是建筑設(shè)計(jì)和施工中不可或缺的部分。

竹子是一種可持續(xù)材料，其制品被視為與木材用途相同的建筑材料，可用于地板、天花板、墻壁以及室內(nèi)外設(shè)計(jì)元素中的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。此外，竹材具有成本低、美觀等巨大優(yōu)勢(shì)，因此是可持續(xù)建筑中傳統(tǒng)材料的理想替代品。

薩瓦 - 勃朗峰大學(xué)、越南國(guó)立大學(xué)和Ton Duc Thang 大學(xué)的研究人員利用加熱液壓機(jī)熱壓工藝，以竹纖維和蛋白質(zhì)基骨膠為原料制造出新型環(huán)保保溫纖維板。他們?cè)谘芯恐刑骄苛藢?dǎo)熱系數(shù)與密度、蛋白質(zhì)含量、濕度水平以及含水量變化之間的關(guān)系。

樣品的熱導(dǎo)率通過(guò) TCi 熱導(dǎo)率分析儀測(cè)定，采用改進(jìn)型瞬態(tài)平面熱源（MTPS）法，測(cè)試溫度為 25℃，該分析儀安裝于 RH-Box 內(nèi)部（圖 10）。

圖 10. 25℃下相對(duì)濕度箱內(nèi)的樣品照片及熱導(dǎo)率測(cè)量

測(cè)試的樣本（50±1 mm）在相對(duì)濕度 57%、溫度 25℃的條件下進(jìn)行預(yù)處理，直至質(zhì)量恒定。首先，在相對(duì)濕度 57% 的條件下評(píng)估這些樣本的熱導(dǎo)率，隨后在相對(duì)濕度 75% 的條件下進(jìn)行評(píng)估；定期測(cè)量熱導(dǎo)率，直至質(zhì)量恒定。在相對(duì)濕度 75% 的條件下達(dá)到質(zhì)量恒定后，在相對(duì)濕度 33% 的條件下對(duì)這些樣本進(jìn)行評(píng)估；同樣定期測(cè)量熱導(dǎo)率，直至質(zhì)量恒定。針對(duì)每個(gè)相對(duì)濕度水平（33% 和 75%），此測(cè)量重復(fù)三個(gè)循環(huán)。熱導(dǎo)率的變化可根據(jù)材料的密度、相對(duì)濕度和含水量的變化來(lái)測(cè)量。

圖 11. 在相對(duì)濕度 57%、溫度 25℃條件下，竹纖維板的導(dǎo)熱系數(shù)與用膠量（a）和密度（b）的關(guān)系

圖 12. 在相對(duì)濕度箱內(nèi)，25℃、相對(duì)濕度在 75% 至 33% 之間循環(huán)三個(gè)周期時(shí)的熱導(dǎo)率變化情況

圖 13. 25℃（相對(duì)濕度：57%→75%）下纖維板的熱導(dǎo)率隨含水率變化的演變情況

綜上，在 25℃、相對(duì)濕度 57% 的條件下，不同膠黏劑比例的竹纖維板熱導(dǎo)率均較低，范圍在 0.0582 至 0.0812 W?m?1?K?1 之間。熱導(dǎo)率是相對(duì)濕度和含水率的函數(shù)。