Теплопроводность материалов: как измерить — лазерная вспышка, тепломер, горячая охранная зона

От теплопроводности зависит, насколько хорошо утеплитель держит тепло в стене, как быстро радиатор отводит тепло от процессора, выдержит ли футеровка печи рабочую температуру и как поведёт себя покрытие лопатки турбины. Производителям теплоизоляции, керамики, огнеупоров, полимеров и электроники эту характеристику нужно измерять, причём по стандартной методике и с понятной погрешностью. Разберём, чем теплопроводность отличается от температуропроводности, какие методы измерения существуют и какой прибор подходит для вашего материала.

Коротко:

• Для теплоизоляционных материалов используют стационарные методы: тепломер (HFM) и горячую охранную зону (GHP).
• Для керамики, металлов, графита, полимеров и композитов чаще всего применяют метод лазерной вспышки (LFA).
• Метод лазерной вспышки измеряет температуропроводность. Чтобы получить теплопроводность, нужны ещё удельная теплоёмкость и плотность образца.
• Выбор прибора начинают с материала, диапазона теплопроводности и температур и стандарта, по которому нужно отчитываться.

Теплопроводность и температуропроводность: в чём разница

Теплопроводность λ, Вт/(м·К), показывает, сколько тепла в секунду проходит через слой материала толщиной 1 м и площадью 1 м² при разнице температур 1 К. Чем она ниже, тем лучше материал изолирует. Для строительных конструкций из неё выводят термическое сопротивление слоя R и коэффициент теплопередачи U.

Температуропроводность a, м²/с, показывает, как быстро выравнивается температура внутри материала при нагреве. Она связана с теплопроводностью через плотность ρ и удельную теплоёмкость c_p:

λ = a · ρ · c_p

Поэтому на практике температуропроводность измеряют методом лазерной вспышки, теплоёмкость — на дифференциальном сканирующем калориметре, а изменение плотности с температурой — на дилатометре.

Методы измерения теплопроводности

Методы делятся на две группы. Стационарные создают постоянный тепловой поток через образец и ждут установившегося режима: так работают тепломер и метод горячей охранной зоны. Нестационарные дают короткий тепловой импульс и следят за откликом во времени: это метод лазерной вспышки.

Метод лазерной вспышки: как он работает

Плоский образец толщиной обычно от долей миллиметра до нескольких миллиметров помещают в печь и выводят на нужную температуру. Короткий импульс лазера или лампы нагревает одну сторону образца, а инфракрасный детектор регистрирует рост температуры на обратной стороне. Чем быстрее тепло проходит через образец, тем выше температуропроводность. В простейшем случае её рассчитывают по формуле Паркера: a = 0,1388 · d² / t_1/2, где d — толщина образца, а t_1/2 — время, за которое обратная сторона нагревается до половины максимума. Современные программы дополнительно учитывают теплопотери и длительность импульса.

Преимущества метода — малый размер образца, измерение за минуты и широкий интервал температур: от отрицательных до 2000 °C и выше. Метод стандартизован, в частности ASTM E1461 и ISO 22007-4.

Приборы NETZSCH для метода лазерной вспышки

Тепломер HFM 446: контроль теплоизоляции

Для производителей утеплителей главный показатель — теплопроводность, по которой продукция проходит сертификацию и контроль. Тепломер HFM 446 Lambda Series измеряет её стационарным методом: образец-плита зажимается между горячей и холодной пластинами, датчики теплового потока регистрируют поток через образец, по нему и разнице температур рассчитывается λ. Метод тепломера стандартизован, в частности ASTM C518 и ISO 8301. Это настольный прибор, удобный для серийного контроля партий: минеральной ваты, пенополистирола, пенополиуретана, PIR-плит, вакуумных изоляционных панелей.

GHP 456 Titan: метод горячей охранной зоны

GHP 456 Titan работает по методу горячей охранной зоны. Это абсолютный метод: теплопроводность рассчитывается по подведённой мощности нагревателя без калибровки по эталону. Охранная зона вокруг измерительного нагревателя исключает боковые теплопотери. Прибор соответствует стандартам ISO 8302, ASTM C177, DIN EN 12939, DIN EN 12667 и ГОСТ 7076-99 и измеряет теплопроводность и тепловое сопротивление изоляционных материалов в широком интервале температур.

Какой метод выбрать под материал

Для огнеупоров теплопроводность — лишь одна из характеристик. Ползучесть под нагрузкой и прочность на изгиб при нагреве измеряют на отдельных установках из раздела тестирование огнеупоров.

Как выбрать прибор для измерения теплопроводности: чек-лист

1. Материал и форма образца. Плиты утеплителя, таблетки керамики, плёнки, жидкости требуют разных методов.
2. Ожидаемый диапазон λ. Утеплители, керамика и металлы отличаются по теплопроводности на порядки.
3. Температуры. Только комнатная, до 500 °C, до 1100 °C или выше 2000 °C.
4. Стандарт. ГОСТ 7076, ASTM C518, ASTM E1461, ISO 8302 или требования заказчика.
5. Задача. Серийный контроль партий или исследования и разработка.
6. Производительность. Сколько образцов в день и нужна ли автоматическая смена образцов.
7. Дополнительные приборы. Для расчёта λ по методу вспышки нужны данные о теплоёмкости и плотности.
8. Сервис. Установка, обучение, эталонные образцы, держатели.

Частые ошибки при измерении

• Не тот метод для материала. Неоднородные пористые утеплители измеряют на плитах в стационарном режиме, а не на маленьких таблетках.
• Образец без подготовки. Для лазерной вспышки поверхности должны быть плоскопараллельными. Образцы обычно покрывают тонким слоем графита, чтобы поверхность одинаково поглощала импульс и излучала тепло.
• Влажные образцы утеплителя. Влага увеличивает теплопроводность, поэтому образцы кондиционируют по методике.
• Справочная теплоёмкость вместо измеренной. Ошибка в c_p напрямую переходит в ошибку λ.
• Плохой контакт с пластинами. В стационарных методах неровная поверхность образца искажает результат.

Вопросы и ответы

Чем теплопроводность отличается от температуропроводности?

Теплопроводность показывает, сколько тепла проходит через материал, а температуропроводность — как быстро в нём выравнивается температура. Они связаны формулой λ = a · ρ · c_p.

Как измерить теплопроводность утеплителя?

Стационарным методом на плите материала: тепломером, например HFM 446, или методом горячей охранной зоны, например GHP 456 Titan.

Что такое метод лазерной вспышки?

Нестационарный метод: импульс нагревает одну сторону образца, детектор фиксирует рост температуры на обратной стороне, по скорости роста рассчитывают температуропроводность.

Какой размер образца нужен для LFA?

Обычно это плоская таблетка или пластина. Например, LFA 457 MicroFlash работает с образцами диаметром до 25,4 мм. Толщину подбирают в зависимости от материала.

Можно ли измерять жидкости и расплавы?

Да, для этого есть специальные держатели. LFA 427 измеряет в том числе расплавы и жидкости.

Зачем для расчёта теплопроводности нужен ДСК?

Метод вспышки даёт температуропроводность. Чтобы перейти к теплопроводности, нужна удельная теплоёмкость, которую точнее всего измерять на дифференциальном сканирующем калориметре.

Какой ГОСТ применяют для теплоизоляции?

Для определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме — ГОСТ 7076-99. GHP 456 Titan соответствует этому стандарту.

Сколько длится одно измерение?

Метод вспышки — минуты на одну температурную точку. Стационарным методам нужно время на установление режима, обычно это десятки минут и больше для толстых образцов.

Сколько стоит прибор для измерения теплопроводности?

Цена зависит от метода, температурного диапазона, держателей и программ. Пришлите материалы, размеры образцов и стандарты — подготовим коммерческое предложение.

Приборы для измерения теплопроводности в Алматы

AsiaLab поставляет оборудование NETZSCH для теплофизических измерений: анализаторы лазерной вспышки LFA 467 HyperFlash, LFA 457 MicroFlash и LFA 427, тепломер HFM 446, прибор горячей охранной зоны GHP 456 Titan и системы NanoTR / PicoTR для тонких плёнок. Также поставляем оборудование для термического анализа — калориметры и дилатометры, которые дают данные для расчёта теплопроводности. Подробнее о дилатометрии — в статье особенности дилатометрического метода. Все модели — в разделе температуропроводность и теплопроводность. Подберём метод и комплектацию под ваши материалы и стандарты, доставим по Казахстану, установим и обучим персонал.

Расскажите, какие материалы и по каким стандартам нужно измерять, — подготовим коммерческое предложение. Телефоны: +7 (727) 222-28-17, +7 (701) 710-16-45, e-mail info@asialab.kz. Офис: Алматы, пр. Абылай хана, 68-6, пн–пт с 10:00 до 18:00. Все контакты — на странице контакты.