热传导-TC 热传导测量方法技术比较 (TPS, MTPS, HFM 及 Laser Flash)
热传导测量方法技术比较 (TPS, MTPS, HFM 及 Laser Flash)
Hot Disk瞬态平面热源（TPS）技术是瑞典Hot Disk AB公司Dr. Silas Gustavsson所发明，开创了快速准确且无损量测材料导热系数的先河。适应样品范围涵盖金属，陶瓷，岩石，液体、粉末、凝胶、高分子、复合材料、纤维材料、纳米流体等。利用Hot Disk TPS技术可以直接得到待测样品的热传导系数，同时得到热扩散系数和比热容两个热物理参数。Hot Disk TPS技术还能够用于直接分析样品热容以及各向异性(Anisotropic)的性能。基于TPS技术的Hot Disk热传导系数仪由多种模块组成，可供用户不断升级的平台，能够为用户提供较大的成本效益。使用Hot Disk的客户遍布世界各地，同时到目前为止有3600篇以上同行审核过的国际科学期刊论文使用Hot Disk做热传导/热扩散相关研究。鉴于TPS技术的独特性，国际标准化组织已经将此技术确立为国际标准（ISO Standard）,从而对不同国家和地区的用户进行数据比较提供了可能，本文将针对Hot Disk 及市面上另外3种不同的热传导量测方法进行说明和比较：
- 稳态热流计技术
- MTPS 改良式瞬态平面热源法
- 激光法
稳态热流计技术，测试时对样品施加一定的热流量，测试样品的厚度和热板/冷板间的温度差，得到样品的导热系数，需要样品为较大的块体以获得足够的温度差。热板/冷板中的样品没有很好的保护，存在一定的热损失以及接口热阻限制了这种方法的适用范围以及精度，其数据为单一的导热系数，精度只有5%。同时此技术着重于进行低导热系数材料的热物性测量，单次测试时间较长。
MTPS 改良式瞬态平面热源法，是市面上的非主流测试技术。测试时，通过与标准样品比较得到蓄热系数(Thermal Effusivity)，随后通过输入测试样品的比热及密度数据得到导热系数。目前没有与之方法相适应的国际标准，不适用于科学研究。该产品售后服务和技术支持能力薄弱，返修（校正）率非常高。目前该产品在台湾用户较少，国际用户大多为低端的工业用户。
激光法技术，原理是一束激光打在样品上表面，用红外检测器测下表面的温度变化，实际测得的数据是样品的热扩散率，通过与标准样品的比较同时得到样品的密度和比热，计算得到样品的导热系数。优点是快速，适合高温，高导热样品，但不适合低导及非均匀材料。原因是激光法数学模式建立在各同向性材料的基础上，若样品存在吸收/辐射的可能，则测得样品的热扩散会出现较大偏差。另外，还需要用其他方法测得密度，增加误差的来源。通常，激光脉冲法精度为热扩散率3%，比热7%，导热系数10%。这一技术对样品形状和尺寸有严格的要求，要求样品须有严格平整的表面。对于一般样品来说，很难制作成满足其要求的形状和尺寸。
MTPS 改良式瞬态平面热源法，是市面上的非主流测试技术。测试时，通过与标准样品比较得到蓄热系数(Thermal Effusivity)，随后通过输入测试样品的比热及密度数据得到导热系数。目前没有与之方法相适应的国际标准，不适用于科学研究。该产品售后服务和技术支持能力薄弱，返修（校正）率非常高。目前该产品在台湾用户较少，国际用户大多为低端的工业用户。
激光法技术，原理是一束激光打在样品上表面，用红外检测器测下表面的温度变化，实际测得的数据是样品的热扩散率，通过与标准样品的比较同时得到样品的密度和比热，计算得到样品的导热系数。优点是快速，适合高温，高导热样品，但不适合低导及非均匀材料。原因是激光法数学模式建立在各同向性材料的基础上，若样品存在吸收/辐射的可能，则测得样品的热扩散会出现较大偏差。另外，还需要用其他方法测得密度，增加误差的来源。通常，激光脉冲法精度为热扩散率3%，比热7%，导热系数10%。这一技术对样品形状和尺寸有严格的要求，要求样品须有严格平整的表面。对于一般样品来说，很难制作成满足其要求的形状和尺寸。
| 以下是四种量测方法的主要技术特征比较： | |||||
| 技术指标 | Hot Disk 瞬态平面热源法TPS |
HFM 稳态热流计 |
MTPS 改良式瞬态平面热源法 |
Laser Flash 激光法
|
备注 |
| 适用标准 | ISO22007-2.2 GB/T 32064-2015 |
ISO8301 | 无 | ASTM E1461 | TCi有针对液体测试的标准 |
| 导热系数范围（w/mk） | 0.005~1800 | 0.005~2 | 0.01~500 | 1~2000 | |
| 热扩散系数范围（mm2/S） | 0.01~1200 | 不能直接测试 | 不能直接测试 | 0.01~1000 | |
| 比热容范围（MJ/m3K） | 0.01~5 | 不能直接测试 | 不能直接测试 | 不能直接测试 | |
| 是否直接 测量导热系数 |
是 | 是 | 否 | 否 | TCi直接测蓄热系数，激光法直接得到的数据是热扩散系数 |
| 是否能够 提供比热数据 |
是 | 否 | 否 | 否 | |
| 是否需要校正 | 否 | 是 | 是 | 是 | Hot Disk为绝对测量法不需校正，其他方法需要标准材料校正 |
| 探头与样品接口是否需涂覆接口材料 | 否 | 否 | 是 | 否 | 加入接口材料影响测试精度 |
| 适用温度范围 | 30K~1000°C | 0~110°C | -50~200°C | -100~2000°C | 需要额外配备控温设备 |
| 导热系数 测试准确度 |
±5% | ±5% | ±5% | ±10% | TCi对于未知材料，测试精度很难达到±5% |
| 重复性 | ±1% | ±2% | ±3% | 5% | |
| 样品尺寸 | 较小直径2mm 较小厚度10um 较大不限* |
直径50mm 厚度0.1~25mm |
较小直径17mm 较小厚度0.5mm |
直径12.7mm 厚度1~3mm |
热流法及激光法需固定样品尺寸 |
| 样品类型 | 固体/液体/ 粉末/胶体等 |
固体 | 固体/液体 | 固体 | |
| 样品制备 | 无需特别制样 | 需要 | 较少 | 需要 | |
| 测试时间 | 0.1秒 | 几小时 | 较短 | 几秒 | |
| 耐压极限 | 大于50Mpa | 1Mpa左右 | 常压 | 常压 | |
| 样品是否需要 进行喷碳 |
否 | 否 | 否 | 是 | 对非黑色样品进行喷碳处理，增加制样难度和工作量 |
| 是否具有危险性 | 无 | 无 | 无 | 激光或氙灯辐射危害 | |
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