
热物性领域的顶尖科学家近期强调,我们仅有一个真正的热传导系数——导热系数。它是衡量材料传输热能程度的关键指标。受此影响,热扩散系数不再被视为热传导特性。同时,蓄热系数亦不被归入此类。原因在于,从热扩散系数和蓄热系数推导出导热系数需知晓体积比热容。
激光闪光法:由Parker等人于1961年于 J. Appl. Phys. 32, 1679中首次描述,是测量固体材料热扩散性的主流方法。但需额外测量体积比热容以获取导热系数信息。
瞬态平面热源(Hot Disk)法:根据2008年国际标准ISO 22007-2,此法能从单一瞬态记录中同时获得导热系数和热扩散系数,成为测量大体积均匀固体体积热容的信赖之选。Taylor等人于2019年在卡文迪什实验室的技术报告中,通过Hot Disk方法测量了25K至300K温度范围内的比热容,验证了该方法的准确性。
近年来,关于通过实验方法确定蓄热系数的问题一直备受争议。2022年,在马萨诸塞州洛厄尔举办的国际导热系数会议上,特别设立了一个研讨会来深入探讨此议题。会议期间有声音呼吁科学界应彻底放弃对蓄热系数的测量。然而,无论个人对此持何种观点,都不应放弃获取传热性能(包括蓄热系数)的可能性,前提是这些信息能够以可靠的方式进行测量。自2022年以来,该领域发展迅速,现已制定了测量蓄热系数的国际标准——ISO 22007-7,该标准采用TPS(Hot Disk)装置进行测量。
在此稍微介绍一下蓄热系数的测量。在解决热传导方程时,假设有一根无限长且绝热的棒,通过平面加热和传感探头在两个对接表面间将其分为两部分。此时,一维热流的解将显示出简单的时间依赖性。从温度记录随时间平方根变化的斜率中,可以得出一个常数,该常数是导热系数和体积热容乘积的平方根。这一常数在经典研究中被标记为“b”, Conduction of Heat in Solids (1959) by H.S. Carslaw and J.C. Jaeger。已知体积热容的情况下,可以通过该蓄热系数来计算材料的导热系数。
另一种使用TPS方法的方式是将Hot Disk探头放置在两个平面表面之间,探头的直径略大于两平面间的距离。进行实验时,需确保探头的探入深度保持在探头半径的一小部分以下,以避免对棒状基材进行绝热处理。近期,设计上偏离Hot Disk探头的MTPS(修改的瞬态平面法)探头被引入。然而,S. Yeon和D.G. Cahill的研究Rev. Sci. Instrum. 95(3) 10.1063/ 5.0191859指出,所谓的MTPS探头方法在确定导热系数方面存在局限性,且该方法严格来说并非TPS方法,也不符合ISO 22007-2或7的标准。
TPS方法测量蓄热系数是非常独特的,能在面外方向(与探针平面垂直)上,同时获得热扩散系数和导热系数。在所有其他探头测量中(使用各向同性、各向异性或平板模块),平面方向的热扩散系数可以被确定。

Silas Gustafsson 博士,TPS技术的发明者。
Hot Disk AB联合创始人兼高级顾问