熱傳導率測量方法可大致分為兩大類:穩態(Steady-State)與瞬態(Transient)。穩態法會對樣品施加穩定的熱流,並測量樣品兩端的溫差;而瞬態法則是對樣品施加熱脈衝或瞬間的熱源,並測量樣品隨時間的溫度變化。這兩種方法各有其優勢與局限性,取決於材料的類型、樣品大小、測試條件及精度要求。
穩態測試法的特點
穩態測試方法,像是常見的熱板法(Guarded Hot Plate Method),在一些應用中仍被視為傳統的標準方法。它基於傅立葉熱傳導定律,通過熱流、溫度梯度與熱導率之間的關係來進行測量。然而,穩態測試也存在一些缺點:
• 需要較大的樣品與精確的樣品準備,並且測試時間較長。
• 為破壞性的,且無法用於液體或高熱傳導率材料。
• 容易受到輻射和對流熱損失,及樣品厚度影響,測量誤差較大。
瞬態測試法的特點
過去三十年來,瞬態測試方法因其靈活性與高效性而越來越受到青睞。瞬態法是基於熱擴散方程(heat diffusion equation),描述熱量在材料中隨時間的傳播方式。瞬態測試的優勢包括:
• 可以測量小型樣品、液體、粉末、膏狀物及高熱導率材料。
• 測試時間短,通常在幾分鐘或幾秒鐘內完成,不需樣品前處理且測試過程中不會破壞樣品。
• 測試中更易考量熱損失與樣品幾何形狀的影響。
然而,瞬態測試也面臨一些挑戰:
• 需要較為複雜的數學分析與數據處理。
• 在某些材料上,測量準確度及精確度可能不如穩態測試法。
• 對於熱擴散率低或熱阻高的材料,測量難度較大。
C-Therm Trident平台:兼顧靈活性與精確度的解決方案
選擇合適的熱導率測量方法取決於具體的應用與材料性質。為了滿足不同需求,C-Therm推出了Trident平台,它結合了三種不同的瞬態測試方法,為用戶提供了靈活且準確的測量選擇。
C-Therm Trident平台包含三種模組化的瞬態測試方法:改良型瞬態平面源(MTPS)、瞬態線源(TLS)和瞬態平面源(TPS)。每種方法都具有其專用的感測器與配置,使用者可以根據樣品特性選擇最適合的測量方式。
圖2 C-Therm Trident平台
改良型瞬態平面源(MTPS)方法
MTPS方法是最簡單直覺的,它使用單面“即插即用”感測器,可直接測量固體、液體、粉末及凝膠狀物體,不需要任何樣品製備及前處理。此方法具有極大的樣品靈活性,並符合ASTM D7984標準。
圖 3 C-Therm 的改良型瞬態平面源 (MTPS) 感測器,快速精確的熱導率測量方式
瞬態線源(TLS)方法
TLS方法則是最耐用的,使用不鏽鋼針狀感測器,可測量顆粒材料、粉末、漿料、凝膠及膏狀物。此方法具有極高的耐用性,並符合ASTM D5334與D5930標準。
圖 4 瞬態線源 (TLS) 感測器,推薦用於聚合物熔體和地質應用
瞬態平面源(TPS)方法
TPS方法最為靈活,使用雙面柔性感應器,可測量各種各向同性(isotropic)與各向異性(anisotropic )材料。此方法允許用戶對實驗參數進行更精確的控制,並符合ISO 22007-2與GB/T 32064標準。
圖5 瞬態平面源(TPS)感測器,雙面感測器,適合更有經驗的使用者