摘要：薄织物和保温材料的逐渐广泛应用，使现有的各种试验方法不能满足这些材料导热系数和热阻准确试验的要求。本文详细介绍了这些低导热性薄材料导热性试验中的错误现象，分析了这些问题的原因，为未来的准确测量提供了参考。
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一、问题案例
隔热材料作为一种有效阻断热损失的材料，在各个领域发挥着重要作用。特别是在服装行业，薄保温织物越来越受到重视和发展，为人体保温和寒冷提供了更轻、更舒适的织物。
随着低导热薄织物的出现和技术的发展，对导热系数、热阻等薄织物的隔热性能提出了严峻的挑战，现有的测试方法不能满足准确的测量要求。
例如，一家国内机构开发了一种新型的保温织物，其目的是利用纳米孔技术大大降低织物的导热系数。织物厚度为0.75±0.1mm，重量为48±2g/㎡，体积密度为65±11kg/m3.孔隙率96%以上，闭孔率95%以上，孔径30%~190微米，壁厚20~180纳米，面料如图1所示。此面料经不同检测机构采用多种测试方法进行了测试评价，导热系数测试结果如图2所示。
从上述各种试验方法的导热系数试验结果可以看出，结果之间存在巨大差异，甚至存在数量级差异。特别是纺织行业权威检测机构获得的超低导热系数试验结果（0.00824W/mK），织物供应商严重误导了织物供应商，织物供应商对测试结果表示怀疑，但测试机构无法验证测试的准确性。
如图2所示，薄织物还采用其他测试方法进行导热系数测试。虽然没有太离谱的测试结果，但测试结果之间仍然存在很大的差异，显示出完全不同的隔热能力。
鉴于上述混乱的导热系数测试结果，织物的研发和生产机构只能在官方网站上声明导热系数是某种材料的核心数据。现有的测试仪器和方法不能测试材料导热系数的绝对值。供应用程序参考，使用不同的测试方法。
这是一个非常典型的无法获得准确测试结果的案例，在纺织行业很常见。为了彻底解决这一问题，本文将分析薄织物导热系数测试导致测量不准确的原因，为未来新测试方法的进一步研究提供参考。
二、薄织物和保温材料导热系数试验方法分析
在图2所示的导热系数测试结果中，几乎使用了大多数现有的标准测试方法。以下将分析现有的测试方法，可用于薄织物和保温材料的导热系数测量。导热系数测试方法主要分为稳态法和瞬态法。本文分析的具体路线从稳态法和瞬态法的来源开始，然后延伸到相应的扩展方法，以便对多种测试方法的整体轮廓有一个清晰的概念。
2.1 导热系数和热阻试验稳态法
2.1.1 稳态护热板法和稳态热流法
对于隔热材料导热系数测试，普遍采用的测试方法是经典的稳态护热板法（GB/T 10294)。稳态热板法作为一种具有最高测试精度的绝对法，同时用于校准相对测试方法（GB/T 10295)其测量原理如图3所示。
为保证测量的准确性，GB/T 10294标准文本明确规定试件热阻不小于0.1 m2K/W，确定试件的最小厚度。
按照本规定，上述薄织物的0.75mm薄织物的导热系数不得大于0.0075W/mK符合规定。
规定试件的最小厚度，因为试件太薄后，试件内的热流分布不均匀，热场变形，试件上的温差很小。相应的温度传感器测量精度会对小温差测量产生很大的误差。因此，标准文本指出，当试件热阻小于0时.1m2K/W表面温度的测量需要特殊的方法。冷板、中心量热计和保温板的表面应机械加工或切割平整，平行且无应力，其温度均匀性要求较高。这些要求在现实中很难实现或成本很高，所以厚度小于1mm稳态保温板法不适用于薄织物和保温材料，难以满足导热系数准确测量的要求。
对于稳态热流法导热系数试验，相应的标准GB/T 10295给出了相同的最小热阻0.1m2K/W该规定还需要确定试件的最小厚度。由此可见，稳态热流计也存在一系列难以克服的问题，如温差测量不准确，厚度小于1mm热流计也不适用于薄织物和隔热材料。
当然，在必要织物可以叠加成厚试件，以增加被试件的热阻来测量薄织物的导热系数。理论上，这种多层叠加形式确实可以测量导热系数，但最大的问题是，在叠加过程中，被测件中产生空气间隙，引入接触热阻，从而增加被测件的热阻值，导致导热系数测试结果较小。因此，除非被测件相对柔软，否则一般不建议采用多层叠加形式进行稳态测量。
2.1.2 纺织蒸发热板法
纺织蒸发热板法是上述稳态保温板法的一种变形，其基本原理完全基于稳态保温板法。区别在于用空气层和测试件代替图3稳态保温板法中的试件，模拟人体散热和外部空气散热条件。
纺织蒸发热板法目前执行的标准是GB/T 11048-2018年，在具体测试中，通过从测量试件和空气层的热阻值中减去空气层的热阻值，得出测量材料的热阻值。需要特别注意的是，蒸发热板法中的热阻值不能等同于稳态保温板法中的热阻值，主要是由于以下差异：
（1）蒸发热板法在测试热阻时，试件冷面处于空气对流传热环境；而稳态护热板法测试热阻时，试件冷面处于与冷板的导热传热环境。虽然这两种测试方法的原理相同，但边界条件和物理意义完全不同。蒸发热板法测试模拟环境下的等效热阻，稳态热板法测试纯热传导环境下的导热热阻。在稳态热板法中，导热系数可以根据导热阻和试件厚度准确获得。
（2）蒸发热板法中的试件平放在中心量热计上，试件靠自身重量与量热计接触。在稳态护热板法中，试件通过上述冷板加载一定的力与量热计接触。两者形成的热接触效果完全不同，稳态护热板法中的接触热阻较小，即蒸发热板法中获得的试件热阻含有较大的接触热阻。
(3)蒸发热板法标准GB/T 11048年只涉及织物热阻的测量，不涉及通过厚度和测量的热阻计算获得织物的导热系数。这基本上意味着蒸发热板法不能用来测量导热系数。
(4)另外，蒸发热板法标准GB/T 在11048中，规定最小可测热阻不得小于2m2K/W，稳态护热板法和热流法规定的0.1m2K/W最小热阻比高20倍，即蒸发热板法更适合大热阻的测量。
根据以上分析，我们来看看图2获得的导热系数测试结果，明显存在以下两个问题:
(1)图2中导热系数的测量是基于GB/T 本版蒸发热板法规定了11048-2008热导为热传导、热辐射和热对流的总和，是存在着三种传热形式的等效热导率，不能用此等效热导率与图2中的其他方法获得的纯导热传热过程的热导率相比较。
（2）如果按照图2中的0.00824W/mK导热系数计算结果和0.75mm厚度可以反推出实际测量的热阻值，可得到热阻值为0.09m2K/W。显然此热阻值要远小于GB/T 11048-2008和GB/T 11048-2018中规定的最小可测热阻2m2K/W。
从上述分析基本可以得出结论，即蒸发热板法不适合测量薄织物的热阻，更不适合测量纯导热性质的导热系数，这也是GB/T 11048-2018不再提热导率这个参数的主要原因。
另外，检测机构出具图2所示的检测结果，也说明相关检测人员对标准方法GB/T 11048的适用范围还缺乏了解。
2.1.3 恒定热流法
恒定热流法是上述稳态热流计法的一种变形，其测量原理与稳态热流计法完全相同，同样采用了热流计来测量流经试件厚度方向上的热流密度，不同之处在于采用了独特的技术手段来测量薄试件厚度方向上的小温差，并且可以加载压力以保证较小的接触热阻和准确控制试件厚度。恒定热流计法的相应标准为ASTM D5470，这种方法普遍用于薄型导热胶垫和固态电绝缘板材的导热系数和热阻测量。
根据测量原理，恒定热流法应该比较适合薄织物和隔热材料的热导率和热阻的测量，但在具体测试过程中流经薄试件的热流密度很小，这就对热流密度测量精度提出了很高要求，现有执行标准ASTM D5470的测试仪器还无法实现如此小热流的准确测量，需要研发测量精度更高的测试设备以满足低导热薄片样品的测试要求。
2.2 导热系数测试瞬态法
2.2.1 瞬态平面热源法（HOT DISK法）
在图2所示的薄织物导热系数测试案例中，显示了采用瞬态平面热源法（HOT DISK法）的测试结果。已经有很多研究并报道了这种方法在低导热系数测试中存在测试结果偏高很多的现象，这方面的详细介绍及其解决方案可在网上搜索上海依阳编写的《气凝胶隔热材料超低导热系数测试中存在的问题及解决方案》应用报告。
在瞬态平面热源法导热系数测试中，最大的问题是测量准确性无法进行考核。在稳态护热板法和热流计法中可以采用不同厚度标准参考材料来考核热阻的测量精度，而在HOT DISK法中只能测量热导率而无法测量热阻，那么对于导热系数低于标准参考材料数值0.03W/mK的低导热材料，就根本无法考核其测量的准确性。
总之，瞬态平面热源法（HOT DISK法）也不适合测试低导热系数的薄织物和隔热材料。
2.2.2 闪光法
闪光法作为一种应用最为普遍的绝对法，广泛用于各种固体材料的热扩散系数测量。但闪光法对于薄织物和隔热材料并不适用，主要原因如下：
（1）对于低导热的薄织物和隔热材料，隔热性能比较好，热阻比较大，闪光信号很难传输到样品背面，信噪比较差，测量误差较大。
（2）薄织物和隔热材料，多为多孔材料且透光，闪光加热很容易穿透被测试件。如果对试件表面进行遮光处理，遮挡涂层很容易进入试件孔隙而改变试件的导热系数。
三、结论和今后工作
通过上述薄织物和隔热材料测试案例和现有各种测试方法的分析，可以得出以下结论：
（1）现有的各种导热系数测试方法，不论是稳态法还是瞬态法，都无法满足薄织物和隔热材料导热系数准确测试的需求。各种测试方法都有各自的局限性，没有一种完全适合低导热系数薄试件的测试方法。特别是目前用于纺织品热阻测量的GB/T 11048-2018测试方法，还存在很多问题，其中测量的热阻值应为等效热阻，是多种传热机理的复合作用结果，这很容易误导纺织品的开发人员。有关GB/T 11048-2018测试方法的更详尽研究分析，将在后续专文进行论述。
（2）由于缺乏准确的测试方法，给新型织物材料的研究和研制带来的不便和困难，无法通过准确的热导率和热阻测量来调整材料的相应工艺。
（3）对于薄织物和隔热材料的热导率测试，需要解决小温差和低热流密度精密测量难题，需要解决材料透光性的影响，这些都是今后工作的主要内容。
（4）现有大多数采用稳态法的热阻和热导率测试仪器，所要求的样品尺寸太大，如大多采用面积为300mm×300mm的样品。对于薄织物和隔热材料的热导率测试，如果要实现高精度测量，如此大的样品尺寸势必会增大测试仪器的护热、机加工和热应力变形等方面的技术难度和造价。因此，对于厚度小于1mm的被测样品，完全可以采用小尺寸样品，如50mm×50mm，同样可以保证稳态下的一维热流。
（5）对于难度最大的小温差准确测量，可以借鉴闪光法而避开热导率的直接测量，可通过测量热扩散率来间接获得热导率，热扩散率的测量则可以采用频域技术，通过频域技术可以非常准确的将温差信号转换为频域信号。这可能将是今后的一个重要研究方向。
（6）另外，表征薄织物的热性能参数中，除了导热系数和热阻之外，还涉及到人体触摸织物的冷感或热感表征参数：吸热系数。最好有新型测试方法能将这些热性能参数进行整体考虑和测试，为织物热性能提供完整的准确测试评价。