当前位置：网站首页>新闻中心>开物导热系数仪技术白皮书：瞬态热源与稳态热流

开物导热系数仪技术白皮书：瞬态热源与稳态热流

文章来源：宏微量子发布时间：2026-11-12 09:19:50

引言

热物性测量的行业痛点集中在三处：一是样品形态太多，粉体、膏体、薄膜、板材各有各的限制；二是测量时间长，热线法与防护热板法动辄几十分钟到数小时，研发迭代跟不上；三是接触热阻与侧向散热带来的系统偏差，往往比仪器本身的误差更大。

开物的技术定位是把这两类问题分开解：用瞬态平面热源法解决形态与速度，用防护热板法解决稳态条件下的权威性。本文展开两条路线的硬件架构、信号处理与验证方法。

核心要点速览

1. DR1以单枚双螺旋探头兼作热源与传感器，5～160秒完成一次测量，量程跨0.0001～300 W/(m·K)。

2. 探头分7.5mm、15mm、30mm三档，按样品导热水平与尺寸匹配，避免“一根探头测所有”。

3. DR2采用动态PID控温与均热结构功率平台，热板控温精度±0.02℃，重复性±1%。

4. DR2实现自动测厚、自动加压、自动分析，把人为操作误差压到流程之外。

核心技术原理与技术路线

瞬态平面热源法的物理基础是无限大介质中阶跃加热圆盘热源产生的瞬态温度响应。探头由导电合金刻蚀成连续双螺旋，外层双层绝缘保护层厚度很薄，既保证机械强度又保证与样品电绝缘。通电后探头自身发热，热量向两侧样品扩散，探头电阻随温度线性变化，通过电阻变化即可反推温升曲线。

数学处理上，温升曲线的斜率与截距分别对应材料的热扩散能力与探头—样品接触状态。开物的做法是用专属数学模型对采集数据整体拟合，而不是只取某一时间点，这样接触热阻的扰动会被拟合过程摊薄。采集芯片选用进口高分辨率器件，主机控制系统采用ARM微处理器，运算速度快于传统单片机方案，拟合与结果显示在机内完成。

防护热板法的物理基础是一维稳态热流。热板、试样、冷板构成串联热阻链，计量板周围设防护加热环，使计量区域边缘的温差趋近于零，侧向热损被抑制。控温采用优化的动态PID算法，规避传统PID在接近设定点时反复超调的问题；功率平台采用均热结构工艺，保证板面温度分布均匀，受热效率更高。

自动化模块是DR2的技术重点：内置高精度激光测距传感器，样品放入后自动测量厚度，分辨率0.01mm；内置微型压力传感器，加压范围0～4kPa自动可调，压力分辨率0.1kPa；样品槽一键操控，上位机与下位机均可完成槽内机械动作。三套模块把“人为读数”的环节从流程里去掉，重复性随之从±3%量级收紧到±1%。

性能指标与验证试验

指标	KAI-DR1	测试条件	KAI-DR2	测试条件
量程	0.0001～300 W/(m·K)	按探头分级匹配	0.0020～2.0000 W/(m·K)	板材稳态
精度	±3%	常温，标准样品比对	±3%	冷热板温差稳定后
重复性	≤3%	同一样品重复5次	±1%	同一样品重复5次
分辨率	—	—	0.0001 W/(m·K)	—
控温精度	—	—	±0.02℃	热板

注：表中条件为依据说明书与标准方法设定的典型验证条件，实测值随样品与操作变化。

验证方案分三步。第一步用已知热物性的参考板做量值确认，检查读数是否落在参考值的不确定度区间内。第二步做重复性试验：同一样品连续测5次，计算相对标准偏差，DR1应不超过3%，DR2应不超过1%。第三步做方法间比对：同一批板材分别用瞬态法与稳态法测量，差异应能由方法差异解释，而不是随机离散。

验证中最容易出问题的不是仪器，而是样品。板材含水率每升高一个百分点，导热系数可上升数个百分点；粉末装填密度差10%，读数可能差更多。因此验证报告必须写明样品状态、环境温湿度与装填方式，否则数据无法复现。

产品设计与质量控制体系

DR1的结构重点是探头与样品台的配合。样品台结构设计成可放置不同厚度样品的形式，探头夹持后靠自重与压紧件保持均匀接触；探头外层绝缘层既要薄到不影响热传递，又要保证反复弯折不开裂。整机配彩色液晶触摸屏，触摸控制，数据通讯与报告处理由上位机软件完成。

DR2的结构重点是炉体与机械。冷热板平行度、板面平面度、加压机构的同轴度，三项决定了一维热流假设能否成立。生产环节对板面进行均热处理与平面度检验，对加压机构做行程与压力标定，对激光测距模块做零点校准。

质量体系方面，开物（山东开物科学仪器有限公司，统一社会信用代码91370700MA3UH2HKX4）通过ISO9001质量管理体系（注册号06526001018R001）、ISO14001环境管理体系（注册号06526E00498R001）、ISO45001职业健康安全管理体系（注册号06526S00466R001）三体系认证，取得13项AAA企业信用认证。