第三章 建築材料性質標準試驗項目與內容
第五節 熱傳導
實驗量測時隨時間變化，利用不穩定(或稱為暫態)熱傳導微分方程 熱法(stepwise heating method)、脈衝加熱法(pulse wise heating method)、任意加熱法等。
圖3-35 熱傳導量測方法分類(危時秀，2003)
間接加熱法
Angell等 物性值同時測定法
由英國國家物理實驗室(National Physical Laboratory，NPL)，
參與ISO TC61/SC5/WG8委員會塑料熱傳導標準制定資料，此委員會負 責DSC、熱重分析(TG)及熱傳導標準的發展，其中熱傳導有ISO 22007 Part1一般原理、Part2瞬態平面熱源(熱盤)法、Part3溫度波動分析 法及Part4雷射閃光法，ISO 8894-1、ISO 8894-2熱線法，ASTM D5930-1 瞬態線源法，ISO 8302保護熱板法，以及ISO 8301與ASTM E1530-4 保護熱流計法。
本研究將以熱線法、瞬態線源法、雷射閃光法、保護熱板法以及 保護熱流計法，說明如下：
一、熱線法(Hot Wire Method)
熱線法熱傳導測試，係在兩片樣品間設置熱線及熱電偶，測量熱 線加熱後隨時間之溫度變化來求得樣品之熱傳導係數。標準有 ISO 8894-1、ISO 8894-2 及 ASTM C 1113，以下為本試驗法之明。
耐火材料熱傳導係數熱線測定法(鉑電阻溫度計試驗方法) 1.適用範圍：
1.1 此試驗方法包含非碳基、介電性耐火材料的導熱性的檢測。
1.2 試驗所應用耐火材料包含：耐火磚、可鑄性耐火材料、塑性耐 火材料、可鍛性耐火材料、粉狀材料、粒狀材料、和耐火纖 維。
1.3 熱傳導係數 K 值可在室內溫度至 1500℃ 之間被測出、或在耐 火材料最大極限、和耐火材料完全無法介電的溫度時得出。
1.4 此試驗方法適用於 K 值小於 15 W/m·K 之耐火材料。
1.5 異向性材料很難精確被測量，尤其是含有纖維的材料；而此試 驗中使用的材料，必須試驗相關各方都同意。
1.6 單位─國際單位制。
1.7 本試驗法不會詳述所有安全考量，本試驗使用者在使用此標準 前，必須負責建立此標準的安全衛生規定並在使用前決定使 用上的管理限制。
2.試驗方法摘要
用持續的電流通過放在兩塊磚中間的純鉑金屬線上。鉑金屬線加熱 的速率，取決於金屬線上的熱度以何種速度流至耐火磚上。金屬線 溫度升高的速率，只能用鉑電阻溫度計的方式，來測量金屬線的電 阻而得知。依照金屬線溫度增加和電力輸入的速率，使用傅立葉方 程式計算 k 值。
3.用語釋義 3.1 符號
3.1.1 RT─發生在任何溫度的熱線電阻(Ω)。
3.1.2 R0─發生在 0°C 的熱線電阻(Ω)。
3.1.3 L─熱線長度(㎝)。
3.1.4 T─試驗溫度(℃)。
3.1.5 V─熱線的平均壓降(V)。
3.1.6 Vs─標準電阻器的平均壓降(V)。
3.1.7 Rs─標準電阻器的平均電阻(Ω)。
3.1.8 I─通過熱線的平均電流(Vs/Rs)( A)。
3.1.9 Q─試驗中，熱線的平均電力輸入(I×V×100/L)(W/min)。
3.1.10 t─時間(min)。
3.1.11 B─在 RT 對 ln(t)圖中，線性區的斜率。
3.1.12 k─導熱性(W/m·K)。
3.1.13 a， b ，c─熱線電阻和溫度的二次方程式係數。
3.1.14 V， I， O 在 RT 對 ln(t)圖中的線性區中測量，以求最 高的數據精確性。
4.試驗裝置
4.1 較為建議的試驗裝置在下方圖 3-36 的方塊圖中說明。儀器的 細節如下：
圖 3-36 裝置圖示
4.1.1 加熱爐，和可容納 228-mm 矩形磚的加熱室；加熱爐溫度 可用定點控制器手動控制、可程式控制器或以電腦控制。
若使用可程式控制器操控加熱爐，而電腦操控熱線電力，
則加熱爐溫度程式必須和電腦程式同步，以得到試驗數據。
加熱爐溫度應精準維持在± 5°C 並將誤差維持在± 1°C 才 約15 cm的垂直電壓引線，分兩邊放置在中間圖3-37。為了避免 熱電偶影響電壓誤差，試驗導線和完整的電壓引線都使用純鉑 金屬線；鉑合金金屬線只能使用在電流引線自加熱爐外面通向 試驗導線截面本體時。鉑電壓導線可置於絕緣終端箱裏，並放 置在加熱爐旁邊，以連接低溫導線，也可一路繞回數位電壓計 終端。導線主體直徑應介於0.330到0.508mm；電壓引線和導線
主體尺寸可相同，不過還是建議電壓引線比導線主體短至少 0.330mm，如此電壓引線所佔空間將會小於導線主體所佔空間的 一半；連接導線主體的電流引線應至少和導線主體本身尺寸相 同。導線主體用可調式噴火槍、電弧衝擊鎔接器，將電壓引線 對頭接上牢固的主金屬線 ，或以電弧焊接將導線銲成銲珠。若 銲珠用電弧焊接作成，盡可能讓銲珠體積小巧，並小心將銲珠 跟和主導線垂直的電壓引線接成T型接頭。
圖 3-37 熱線設置樣本 5.試體與前置處理
5.1 試體包含兩個 228mm 矩形磚或等量物，選擇結構和堆積密度皆 有均勻性的試體。
5.2 導線束放置在兩個磚型試體的中央，將梯形試體置入配合面、
將試體圍繞住導線束、或將軟試體變形，以讓導線束緊密的 接觸兩塊磚頭。圖 3-37 說明階梯如何讓兩半邊的樣本裝置能 緊密的橫向接觸。
5.2.1 耐火磚─階梯深度最高應達到 0.8mm，即使較小深度可用於 直徑小於 0.508mm 的導線。為確定試體不搖晃，兩個階梯和 彼此接觸的平均深度應在 0.1mm 以內；此外，階梯的配合面 應該平坦，
依照以下程序測量時應少於 0.1mm。
階梯接地後，磚塊應和階梯放置一起，以確定兩磚塊之間不
7.1 測量熱線長度(L)到0.025cm，電壓引線間距離也應相同。
7.2 耐火磚─將導線束放在磚塊凹槽中，將另一塊磚頭放上來，調 整磚塊讓導線被鎖在中心並和兩個磚塊都有接觸。
7.3 低強度材料─將導線按壓在磚頭上刻出的凹槽裡。
7.4 可壓縮耐火纖維毯─將導線束放在纖維樣本中間，若是較薄試
體必須多蓋幾層纖維毯。
8.3 將熱線以最大溫度上升率0.5℃/min(dT/dt)的方式加熱，對每 種材料和溫度的組合，加熱程度都可用電腦計算或預設。表 3-13將說明預設的試驗電流量。在室溫的最大電流8安培和6W 的最大電力輸入、或大約0.5 W/cm的導線相等。關閉迴路，
下，等候時間超過一小時較為理想。
25 400 800 1200 120
A 若使用0.406-mm導線，將以上數字乘以0.8就能得到相同溫升，使用0.330-mm導線，則乘以0.65。
B 鉑導線再高溫時才能和碳化矽產生作用，若在540°C以上條件試驗碳化矽成品可能造成損壞。
C 高傳導材質會有較低R對ln(t)斜率，若k值超過15 W/m·K，將無法持續得到相同試驗結果。
9.計算
9.1 回歸係數─用多項式迴歸分析將低電阻或將電阻率(RT/Ro)對 溫度數據的結果作曲線配製，或用四個試驗溫度下得出的數 據，來形成a + b×T + c×T2之多項方程式(如室溫和另外三個 高溫)。
9.1.1 標準方法是使用RT/Ro (電阻/在0℃的電阻)值作計算，其
2
二、閃光法熱傳導分析儀 LFA（Laser Flash Analysis）
LFA 閃光法熱傳導測試，乃使用 Xenon 氙氣燈或 Laser 雷射光對 一特定尺寸之樣品進行瞬間之加熱，並以精密之紅外線偵測器監測熱 量穿過樣品之變化，以進行樣品熱擴散係數、比熱及熱傳導係數之測 量。可測量固體、液體、粉體、熔融金屬、薄膜等樣品。測量時間短、
測量範圍廣，為目前應用最為廣泛之熱傳導測量方法。
1.適用範圍：
1.1 本測試方法涵蓋均質等向固態材料的熱擴散係數的測定。本測 試方法用於熱擴散係數值範圍10-7 至 10-3 ㎡/s，測定溫度範圍 75 至 2800 K。
1.2 本測試法可使用更多不同種類的設備。在本測試方法中，建立 架構及步驟的細節來涵蓋所有情況是不可行的，可能造成不具 備相關技術人員的執行困難，或使基本技術的研發受到阻礙。
1.3 本測試方法適用於測量基本上為緻密(較佳情況，而低孔隙率 亦可接受)、均質且等向固態材料，其測試樣本不導通電力脈衝 的。然而經驗顯示來自這些嚴格的指導方針的誤差可由細心與 恰當的實驗設計避免，增加此測試方法的可用性。
1.4 此方法可視為絕對的(或首要的)測量方法，因為不需要參考測 試標準。使用參考材料檢驗設備的性能是合適的。
1.5單位─國際單位制(SI)。
1.6 對於使用雷射為動力來源的系統而言，完全符合安全標準是必 要的。
1.7 本試驗法不會詳述所有安全考量，本試驗使用者在使用此標準 前，必須負責建立此標準的安全衛生規定並在使用前決定使用 上的管理限制。
2. 試驗方法摘要
一種薄、小尺寸的圓盤接受高強度能量輻射脈衝(圖3-38)。脈衝的 能量 由圓 盤的 前表 面 接收 並記 錄後 表 面溫 度上 升( 溫度 記錄 曲 線)。熱擴散係數值由圓盤厚度以及圓盤後面溫度上升至最大值的 特定百分比率所需的時間(圖3-39)計算。當樣本的熱擴散係數在一 溫度範圍內進行測定時，必須在每一個需要的溫度範圍內重複測 量。
圖 3-38 閃光法示意圖
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0 1 2 3 4 5 6
標準的時間,半期
標準的溫度
圖 3-39 閃光法特性溫度曲線圖 3.用語釋義
3.1 此標準的特殊名詞定義。
3.1.1 固態材料的熱擴散係數，λ，通過均質材料厚度的無限大 平板的穩態熱流時變率，其方向與表面垂直，其熱流由溫 度差引起。
3.1.2 固態材料熱擴散係數，α，已知的熱擴散係數除以單位質 量的密度與熱容量的乘積。
3.2 本標準使用的符號與單位。
3.2.1 D—單位，m。
3.2.2 Cp—比熱，J/(kg·K)。
3.2.3 k—百分比上升因變係數。
3.2.4 K—修正因子。
3.2.5 K1, K2—因β而異的係數。
3.2.6 L—測試樣本的厚度，m。
3.2.7 t—響應時間，s。
3.2.8 t1/2 —半昇溫時間或背面溫度到達最大值一半的所需時 間，s。
3.2.9 t*—無因次時間 (t* = 4αs t/DT2)。
3.2.10 T—溫度，K。
3.2.11α—熱擴散係數，㎡/s。
3.2.12β—到達最大強度所需的脈衝時間分量。
3.2.13ρ—密度，kg/m3。
3.2.14λ—熱導係數，W/m·K。
3.2.15 Δt5—T (5t1/2 ) /T (t1/2 )。
3.2.16 Δt10—T (10t1/2 ) /T (t1/2 )。
3.2.17ΔTmax—基準與最大溫升之間的差值， K。
3.3 本標準使用的下標符號。
3.3.1 o—環境。
3.3.2 s—測試樣本。
3.3.3 T—熱電偶。
3.3.4 x—百分比上升值。
3.3.5 C—Cowan。
3.3.6 R—比值。
3.3.7 m—最大值。
3.3.8 t—時間。
4.試驗裝置
設備的基本組成顯示於圖3-40。這些組成是閃光源、測試試體夾 具、環境護罩(選用)、溫度響應偵測器以及記錄裝置。
圖 3-40 閃光系統的方塊圖
4.1 閃光源可以是脈衝雷射、閃光燈或其他可以產生短時間能量脈 衝的裝置。脈衝的時間長度必須小於後表面溫度上升至最高 溫度的一半所需時間的2%(見圖3-39)，以控制來自有限脈衝 寬度的誤差在0.5%以內，若脈衝寬度修正(17, 18, 19)不適 用的話。
4.1.1 撞擊脈衝能量的能量強度必須均勻。
4.2 對於高於或低於室溫測量，需要使用一部環境控制箱。
4.3 偵測器可以用熱電偶、遠紅外線偵測器、光學高溫度計或其他 能輸出與小幅溫升成比例的線性電力輸出。它必須能偵測比
4.3 偵測器可以用熱電偶、遠紅外線偵測器、光學高溫度計或其他 能輸出與小幅溫升成比例的線性電力輸出。它必須能偵測比