- 技術原理 -
07.Aug.2023
熱傳導-TC 熱傳導測量方法技術比較 (TPS, MTPS, HFM 及 Laser Flash)
熱傳導測量方法技術比較
Hot Disk瞬態平面熱源（TPS）技術是瑞典Hot Disk AB公司Dr. Silas Gustavsson所發明，開創了快速準確且無損量測材料導熱係數的先河。適應樣品範圍涵蓋金屬，陶瓷，岩石，液體、粉末、凝膠、高分子、複合材料、纖維材料、納米流體等。利用Hot Disk TPS技術可以直接得到待測樣品的熱傳導係數，同時得到熱擴散係數和比熱容兩個熱物理參數。Hot Disk TPS技術還能夠用於直接分析樣品熱容以及各向異性(Anisotropic)的性能。基於TPS技術的Hot Disk熱傳導係數儀由多種模組組成，可供用戶不斷升級的平臺，能夠為用戶提供最大的成本效益。使用Hot Disk的客戶遍佈世界各地，同時到目前為止有3600篇以上同行審核過的國際科學期刊論文使用Hot Disk做熱傳導/熱擴散相關研究。鑒於TPS技術的獨特性，國際標準組織已經將此技術確立為國際標準（ISO Standard）,從而對不同國家和地區的使用者進行資料比較提供了可能，本文將針對Hot Disk 及市面上另外3種不同的熱傳導量測方法進行說明和比較：
- 穩態熱流計技術
- MTPS 改良式瞬態平面熱源法
- 鐳射法
穩態熱流計技術
測試時對樣品施加一定的熱流量，測試樣品的厚度和熱板/冷板間的溫度差，得到樣品的導熱係數，需要樣品為較大的塊體以獲得足夠的溫度差。熱板/冷板中的樣品沒有很好的保護，存在一定的熱損失以及介面熱阻限制了這種方法的適用範圍以及精度，其資料為單一的導熱係數，精度只有5%。同時此技術著重於進行低導熱係數材料的熱物性測量，單次測試時間較長。
MTPS 改良式瞬態平面熱源法
是市面上的非主流測試技術。測試時，通過與標準樣品比較得到蓄熱係數(Thermal Effusivity)，隨後通過輸入測試樣品的比熱及密度資料得到導熱係數。目前沒有與之方法相適應的國際標準，不適用於科學研究。該產品售後服務和技術支援能力薄弱，返修（校正）率非常高。目前該產品在台灣使用者較少，國際用戶大多為低端的工業用戶。鐳射法技術
原理是一束鐳射打在樣品上表面，用紅外檢測器測下表面的溫度變化，實際測得的資料是樣品的熱擴散率，通過與標準樣品的比較同時得到樣品的密度和比熱，計算得到樣品的導熱係數。優點是快速，適合高溫，高導熱樣品，但不適合低導及非均勻材料。原因是鐳射法數學模式建立在各同向性材料的基礎上，若樣品存在吸收/輻射的可能，則測得樣品的熱擴散會出現較大偏差。另外，還需要用其他方法測得密度，增加誤差的來源。通常，雷射脈衝法精度為熱擴散率3%，比熱7%，導熱係數10%。這一技術對樣品形狀和尺寸有嚴格的要求，要求樣品須有嚴格平整的表面。對於一般樣品來說，很難製作成滿足其要求的形狀和尺寸。| 以下是四種量測方法的主要技術特徵比較： | |||||
| 技術指標 | Hot Disk 瞬態平面熱源法TPS |
HFM 穩態熱流計 |
MTPS 改良式瞬態平面熱源法 |
Laser Flash 鐳射法
|
備註 |
| 適用標準 | ISO22007-2.2 GB/T 32064-2015 |
ISO8301 | 無 | ASTM E1461 | TCi有針對液體測試的標準 |
| 導熱係數範圍（w/mk） | 0.005~1800 | 0.005~2 | 0.01~500 | 1~2000 | |
| 熱擴散係數範圍（mm2/S） | 0.01~1200 | 不能直接測試 | 不能直接測試 | 0.01~1000 | |
| 比熱容範圍（MJ/m3K） | 0.01~5 | 不能直接測試 | 不能直接測試 | 不能直接測試 | |
| 是否直接 測量導熱係數 |
是 | 是 | 否 | 否 | TCi直接測蓄熱係數，鐳射法直接得到的資料是熱擴散係數 |
| 是否能夠 提供比熱資料 |
是 | 否 | 否 | 否 | |
| 是否需要校正 | 否 | 是 | 是 | 是 | Hot Disk為絕對測量法不需校正，其他方法需要標準材料校正 |
| 探頭與樣品介面是否需塗覆介面材料 | 否 | 否 | 是 | 否 | 加入介面材料影響測試精度 |
| 適用溫度範圍 | 30K~1000°C | 0~110°C | -50~200°C | -100~2000°C | 需要額外配備控溫設備 |
| 導熱係數 測試準確度 |
±5% | ±5% | ±5% | ±10% | TCi對於未知材料，測試精度很難達到±5% |
| 重複性 | ±1% | ±2% | ±3% | 5% | |
| 樣品尺寸 | 最小直徑2mm 最小厚度10um 最大不限* |
直徑50mm 厚度0.1~25mm |
最小直徑17mm 最小厚度0.5mm |
直徑12.7mm 厚度1~3mm |
熱流法及鐳射法需固定樣品尺寸 |
| 樣品類型 | 固體/液體/ 粉末/膠體等 |
固體 | 固體/液體 | 固體 | |
| 樣品製備 | 無需特別製樣 | 需要 | 較少 | 需要 | |
| 測試時間 | 最短0.1秒 | 幾小時 | 較短 | 幾秒 | |
| 耐壓極限 | 大於50Mpa | 1Mpa左右 | 常壓 | 常壓 | |
| 樣品是否需要 進行噴碳 |
否 | 否 | 否 | 是 | 對非黑色樣品進行噴碳處理，增加制樣難度和工作量 |
| 是否具有危險性 | 無 | 無 | 無 | 鐳射或氙燈輻射危害 | |
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