固体、液体以及气体热导率测试：材料热传导能力大小的物理量
固体、液体以及气体热导率测试：材料热传导能力大小的物理量
热导率是衡量材料热传导能力的重要物理量，其大小受到材料的组成成分、物理结构、物质状态等因素的影响。本文将从热导率的基本概念出发，探讨其影响因素及其在实际应用中的重要性。
热导率（又称导热系数）是表示材料热传导能力大小的物理量，指在稳定传热条件下，1m 厚的材料，两侧表面的温差为 1 度（K，℃），在 1 秒内（1s），通过 1 平方米面积传递的热量，单位为瓦/米·度（W/(m·K)，此处的 K 可用℃代替）。
影响热导率的主要因素
组成成分
不同物质的热导率各不相同。例如，在所有固体中，金属是较好的导热体。纯金属的热导率一般随温度升高而降低，且金属的纯度对其导热系数影响很大，如含碳为 1%的普通碳钢的导热系数为 45W/(m·K)，而不锈钢的导热系数仅为 16W/(m·K)。部分常见固体材料的热导率如下表所示：
物理结构
一般来说，固体的热导率比液体的大，而液体的又要比气体的大，这很大程度上是由于这两种状态分子间距不同所导致。对于多孔材料，当其受潮后，液态水会替代微孔中原有的空气，由于液态水的导热系数远大于空气，因此含湿材料的导热系数会大于干燥材料的导热系数，且含湿量越高，导热系数也越大。若在低温下水分凝结成冰，材料整体的导热系数也将增大。温度升高会引起分子热运动的加快，促进固体骨架的导热及孔隙内流体的对流传热，孔壁之间的辐射换热也会因为温度的升高而加强。若材料含湿，温度梯度还可能使水蒸气在低温侧发生冷凝，形成的液态水又在毛细压力的驱动下从低温侧向高温侧迁移，类似于热管的强化换热作用，使材料表现出来的导热系数明显增大。
物质状态
液体分为金属液体和非金属液体两类，前者导热系数较高，后者较低。在非金属液体中，水的导热系数最大，除去水和甘油外，绝大多数液体的导热系数随温度升高而略有减小，且溶液的导热系数低于纯液体的导热系数。部分液体的热导率如下表所示：
气体的导热系数随温度升高而增大，在通常的压力范围内，其导热系数随压力变化很小，只有在压力大于196200Pa 或小于2.67kPa（20mmHg）时，导热系数才随压力的增加而加大。工程计算中常可忽略压力对气体导热系数的影响。常见气体的热导率如下表所示：
通常把导热系数较低的材料称为保温材料（我国国家标准规定，凡平均温度不高于 350℃时导热系数不大于 0.12W/(m·K)的材料称为保温材料），而把导热系数在 0.05W/(m·K)以下的材料称为高效保温材料。
热导率的实际应用
在实际应用中，了解材料的热导率非常重要。例如，在选择建筑材料时，需要考虑其保温性能，以减少能源消耗；在电子设备中，高导热率的材料有助于散热，防止电子元件过热；在工业生产中，热导率会影响热交换器的效率等。
热导率的测试方法
热导率的测试方法分为稳态法和非稳态法两大类，稳态法又包括热流计法和防护热板法等。稳态热流法的测试原理是将一定厚度的样品置于上下两个平板间，对样品施加一定的热流量和压力，使用热流传感器测量通过样品的热流、测试样品的厚度、热板/冷板间的温度梯度，然后得出不同厚度下对应的热阻数据作直线拟合得出样品的导热系数。这种方法可以测试产品的热阻与导热系数，特别适合模拟产品在实际工况下的使用状态，但它对产品的厚度有一定要求，且接触热阻会影响测试结果，为达到稳态，测试所需时间也较长。具体选择哪种测试方法，需要根据材料的性质、测试要求以及实验室的设备条件等因素来确定。
