ms Material Sciences 2160-7621 2160-7613 汉斯出版社 10.12677/ms.2025.1512227 ms-130631 Article 化学与材料 基于稳态热流计法的低导热材料检测装备的 研发、技术优化与稳定性验证 R&D, Technical Optimization and Stability Verification of Testing Equipment for Low Thermal Conductivity Materials Based on Steady-State Heat Flow Meter Method 江 正林 1 韩 子豪 2 杨 亮 2 韩 锋钢 3 福建赛特新材股份有限公司，福建 龙岩 厦门理工学院材料科学与工程学院，福建 厦门 厦门理工学院机械与汽车工程学院，福建 厦门 02 12 2025 12 2025 15 12 2139 2146 10 11 2025 03 12 2025 15 12 2025 © 2025 Hans Publishers Inc. All rights reserved. 2025 This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license ( https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ ). https://doi.org/10.12677/ms.2025.1512227

针对真空绝热板(VIP)等低导热材料(1~50 mW/(m·K))检测中测厚误差大、材料特性干扰显著及进口设备成本高的问题，本文研发了ST-500型稳态热流计法检测装备。通过优化测厚系统(解决上下板水平偏差、升降机冲击等4项关键问题)，测厚标准差降至≤0.017 mm；结合高灵敏度热流计(EKOHF-30S)与Pt100热电阻，实现控温精度±0.05℃、检测准确度±2%。通过3种规格VIP板(硬质349 × 504 × 13.80 mm、中软质300 × 300 × 12.25 mm、软质290 × 400 × 7.25 mm)进行验证：硬质板两种装载方式导热系数误差 ≤ 0.1 mW/(m·K)，软质板“不取出”时厚度衰减0.13 mm (需优先“取出”装载)。与进口耐驰HFM446对比，ST-500重复性更优(测厚标准差0.01 mm vs 0.013 mm)，成本仅为进口设备的1/2，满足GB/T 10295-2008标准，推动了低导热材料检测设备的国产化替代。

Aiming at the problems of large thickness measurement error, significant interference from material properties, and high cost of imported equipment in the testing of low thermal conductivity materials (1~50 mW/(m·K)) such as vacuum insulation panels (VIPs), the ST-500 testing equipment based on the steady-state heat flow meter method was developed in this paper. By optimizing the thickness measurement system (solving 4 key issues, including horizontal deviation of upper and lower plates and elevator impact), the standard deviation of thickness measurement was reduced to ≤0.017 mm. Combined with a high-sensitivity heat flux meter (EKOHF-30S) and a Pt100 thermistor, the equipment achieved a temperature control accuracy of ±0.05˚C and a detection accuracy of ±2%. Verification was conducted with 3 types of VIP panels (hard: 349 × 504 × 13.80 mm, medium-soft: 300 × 300 × 12.25 mm, soft: 290 × 400 × 7.25 mm). The results showed that the thermal conductivity error of hard panels under two loading methods was ≤0.1 mW/(m·K), while the thickness of soft panels attenuated by 0.13 mm when using the “non-removal” loading method (the “removal” loading method should be prioritized). Compared with the imported Netzsch HFM446, the ST-500 had better repeatability (thickness measurement standard deviation: 0.01 mm vs 0.013 mm) and its cost was only 1/2 of that of imported equipment. It meets the GB/T 10295-2008 standard and can promote the localization replacement of testing equipment for low thermal conductivity materials.

 稳态热流计法 设备研发 低导热材料 VIP板 检测精度 Steady-State Heat Flow Meter Method Equipment R&D Low Thermal Conductivity Materials VIP Panels Detection Accuracy 1. 引言

导热系数(λ)是低导热材料(如VIP板)性能评价的核心指标，其检测精度直接影响建筑节能、家电制造及冷链物流等领域的应用效果[1][2]。当前主流的稳态热流计法检测存在三大痛点：一是国产设备测厚系统精度不足(误差0.3~1.39 mm)，难以适配超薄VIP (<5 mm)；二是软质VIP因连续测试压缩变形(厚度衰减 > 0.1 mm)，导热系数偏差达5%~8%；三是进口设备(如耐驰HFM446)成本超70万元，中小企业难以承担[3][4]。此前研发的ST-500型装备虽实现基础精度与成本优势，但未系统解决测厚误差及材料特性干扰问题。本文通过优化测厚系统、验证多规格VIP板检测性能，完善装备适配性，填补国产装备在低导热材料精准检测领域的空白。

 2. ST-500型稳态热流计法检测装备设计与核心组件

ST-500型装备采用“五模块协同”模块化架构，各模块功能独立且通过以太网私有协议互联，实现“样品定位–参数采集–稳态判断–数据输出”全流程自动化，模块包括测量模块、数据采集系统、恒温冷热板模块、机械辅助机构及数据计算模块[5][6]。装备外观如图1所示，整体设计简洁，操作区域布局清晰，便于工业场景下的日常使用。

Figure 1.Overall structure diagram

图1.整机结构图

2.1. 核心技术参数

针对低导热材料检测需求，装备核心参数兼顾精度与兼容性，关键指标如表1所示，其中测厚精度、控温性能较同类国产设备提升30%以上[7]。

Table 1. Critical technical parameters of ST-500 low thermal conductivity material testing equipment

表1. ST-500低导热材料检测装备核心技术参数

参数类别 参数名称 数值/范围 备注
样品适配 厚度范围 5~100 mm(可扩至150 mm) 适配主流VIP规格[ 8 ]
长宽范围 宽度300~500 mm，长度 ≥ 300 mm -
温控系统 工作温度 5~60℃ 冷热板独立控温
控温精度 ±0.05℃ 双闭环PID控制
检测精度 导热系数量程 1~50 mW/(m∙K) 适配VIP、气凝胶等[ 9 ]
检测准确度/重复性 ±2%/±1% 对标GB/T 10295-2008 [ 10 ]
核心部件性能 热流计分辨率 0.15 W/m 2 EKOHF-30S，灵敏度 ≥ 100 μV∙m 2 /W
拉绳编码器分辨率 0.025 mm/脉冲 MPS-S-0505-20Z2-LG
测厚标准差 ≤0.017 mm 优化后，A4纸10次测试[ 11 ]
2.2. 关键部件设计

测量模块负责温度、压力、热流及厚度采集，核心部件选型与布置如下：温度测量采用8路Pt100热电阻(2.3 mm × 2.1 mm × 0.9 mm)，每块恒温板布置4个(图2)，通过西门子SM1231RTD模块采集，温度误差 ≤ ±0.2℃(Pt1000，4个，变送器转换为4~20 Ma信号)；压力测量选用GYSA-200KG压力传感器(输出0~24 mV)，确保夹紧压力稳定0.1 MPa (软质样品可降至0.05 MPa) (无夹紧力控制)；热流测量采用2路EKOHF-30S薄膜热流计(85 × 85 mm)，贴附于恒温板表面，通过SM1231模拟量模块采集电压信号(使用进口热通量专用采集模块进行采集)，满足低导热材料热流分辨率需求；厚度测量采用MPS-S-0505-20Z2-LG拉绳编码器，通过脉冲数计算样品厚度(4~20 Ma信号)，优化后测厚误差 ≤ ±0.02 mm。

恒温冷热板是装备控温核心，其中恒温热板采用紫铜板(厚度10 mm，λ = 386 W/(m∙K))，内置6片1500 W电加热片(单片，1000 W加热膜)，外侧包裹50 mm聚氨酯保温层(λ ≤ 0.024 W/(m∙K))，确保表面温度均匀性；恒温冷板采用铝合金板(厚度12 mm，λ = 202 W/(m∙K))，内置水冷通道(流量2 L/min)，冷却液为30%乙二醇水溶液，吸收热流维持温度稳定(10℃ ± 0.05℃)通过半导体制冷片对冷板温度进行控制，水冷通道用于半导体制冷片散热。

数据计算模块以西门子S7-1200PLC为核心，通过以太网与计算机通信：PLC采集传感器信号并计算导热系数，计算机通过WINCC组态自研上位机软件显示参数(温度、热流、导热系数)、存储数据及生成报表，稳态判断采用“双重标准”——热流连续30 min波动 < ±1.5%且5次导热系数差值 ≤ ±1%，确保结果可靠[12][13]。

Figure2.Flux sensor diagram

图2. 通量传感器图

 3. 关键技术优化 3.1. 测厚系统优化

针对原测厚系统4项核心问题，通过机械调整与程序优化提升精度，具体措施与效果如表2所示[14][15]。优化后，2 mm A4纸10次测厚标准差从0.08 mm降至0.01 mm，满足低导热材料检测需求。

Table2.Optimization measures for the thickness measurement system of ST-500 low thermal conductivity material testing equipment

表2. ST-500低导热材料检测装备测厚系统优化措施

序号 存在问题 改善措施 优化后效果
1 上下板水平度偏差(0.08 mm/m) 水平尺辅助调整支撑螺钉与升降电机高度，确保水平度误差 < 0.01 mm/m 2 mm A4纸测厚偏差0.01 mm
2 升降机下降冲击(速率5 mm/s) PLC程序降速至1 mm/s，增加5 mm减速缓冲段[ 16 ] 无冲击变形，12 mm VIP测厚偏差0.005 mm
3 无零点校准功能 新增手动校准入口，上下板贴合后自动归零 校准后偏差 < 0.01 mm
4 连续测试厚度继承误差(0.03 mm) 新增清零模块，每次测试前复位编码器[ 17 ] 连续5次测试无继承误差
3.2. 热流信号与稳态优化

热流信号优化采用硬件屏蔽与软件滤波结合的方式：热流计信号线采用双绞屏蔽线(接地)，与动力线间距 > 100 mm，减少电磁干扰；软件采用自适应滑动平均滤波，噪声抑制率从50%提升至71.7%，2 mm A4纸热流波动从0.03 mV降至0.008 mV [18]。稳态时间优化方面，通过“双重稳态标准”缩短测试效率，优化后VIP板稳态时间从2.5 h降至1.7 h，效率提升32%。

 4. 低导热材料检测实验验证

实验环境控制为温度25 ± 1℃、相对湿度50 ± 5%，所有VIP样品经80℃真空干燥24 h消除水分影响，重点验证装备精度、与同类设备对比及材料特性影响[19][20]。

4.1. 基础性能验证

对3种VIP板重复测试10次，结果如表3所示：厚度波动率 ≤ 0.46%，导热系数波动率 ≤ 0.96%，热流波动 ≤ 0.027 mV，均满足GB/T 10295-2008标准，证明装备稳定性良好[21][22]。

Table 3. Basic performance verification data of ST-500 low thermal conductivity material testing equipment (n = 10)

表3. ST-500低导热材料检测装备基础性能验证数据(n = 10)

样品类型 规格(mm) 厚度范围(mm) 厚度波动率(%) 导热系数范围(mW/(m∙K)) 导热系数波动率(%)
硬质VIP (留样室) 349 × 504 × 13.80 13.76~13.78 0.14 4.296~4.371 1.70
中软质VIP (惠而浦) 300 × 300 × 12.25 12.13~12.24 0.89 2.484~2.529 1.85
软质VIP (大货) 290 × 400 × 7.25 7.05~7.20 2.08 5.683~5.753 1.20
4.2. 与同类装备对比

将ST-500与国产HR-303、进口耐驰HFM446对比(样品：300 × 300 × 12 mm惠而浦VIP)，结果如表4所示：ST-500导热系数偏差仅0.84% (vs耐驰)，成本仅为进口设备的1/2，性价比优势显著；虽测厚绝对值与耐驰存在0.45 mm偏差(源于压力差异：ST-500 0.1 MPa vs耐驰0.3 MPa)，但重复性更优(标准差0.01 mm vs 0.013 mm) [23][24]。

Table 4.Comparison data between ST-500 and similar technology equipment

表4. ST-500与同类装备对比数据

装备类型 测厚标准差(mm) 导热系数均值(mW/(m∙K)) 导热系数偏差(vs耐驰) 控温精度(℃) 成本(万元) 测试时间(h)
ST-500(本研究) 0.01 2.35 −0.84% ±0.05 60~80 1.7
国产HR-303 0.03 2.42 −2.11% ±0.10 80~100 1.8
进口耐驰HFM446 0.013 2.37 0.00% ±0.02 220~250 1.5
4.3. 材料特性与装载方式影响

对3种VIP板采用“取出”(测试后重新装载)与“不取出”(连续测试)两种方式，结果如表5所示：硬质板两种方式厚度误差 ≤ 0.02 mm，导热系数差值0.055 mW/(m∙K)，源于“不取出”时样品残留热量，可任选装载方式；中软质板“不取出”时厚度从12.17 mm降至12.13 mm，衰减0.04 mm，导热系数相应降低；软质板“不取出”时厚度衰减0.13 mm，导热系数波动幅度是硬质板的3.2倍，需优先“取出”装载以避免变形干扰[25][26]。

Table 5. Comparison of test results for different loading methods of VIP panels

表5. 不同VIP板装载方式测试结果对比

样品类型 装载方式 厚度范围(mm) 导热系数范围(mW/(m∙K)) 厚度衰减(mm)
硬质VIP 取出 13.76~13.78 4.296~4.327 0.00
不取出 13.76~13.78 4.363~4.371 0.00
中软质VIP 取出 12.24~12.24 2.505~2.529 0.00
不取出 12.13~12.17 2.484~2.498 0.04
软质VIP 取出 7.18~7.20 5.683~5.751 0.00
不取出 7.05~7.18 5.688~5.754 0.13
5. 讨论与优化建议

核心影响因素方面，测厚系统优化后精度已满足低导热材料检测需求，但软质样品在测试压力下仍存在压缩变形，通过进一步调整压力(降至0.05 MPa)控制误差；材料特性对检测结果的干扰显著，软质VIP因弹性结构易受连续压力影响，“不取出”装载时厚度衰减幅度远大于硬质板，根据样品硬度针对性选择装载方式。

建议可从设备、样品、维护三个层面进行优化：设备层面可新增“压力自适应模块”，根据样品硬度自动调整测试压力，例如对硬质样品保持0.1 MPa压力，对软质样品降至0.05 MPa，减少压缩变形；样品层面，软质VIP测试前需经80℃真空干燥24 h，消除水分对硬度的影响，同时测试时固定装载方向，避免因位置偏差导致的测厚误差；维护层面，每月需用15.000 mm标准校准片验证测厚精度，每季度核验热流传感器与温度传感器的准确性，确保装备长期稳定运行。

后续可通过两项升级进一步提升装备性能：一是新增“压力自适应模块”，通过厚度变化速率自动判断样品硬度，动态调整测试压力，减少软质样品的压缩变形；二是将现有拉绳编码器升级为激光位移传感器(精度0.001 mm)，进一步缩小与进口设备的测厚绝对值偏差，同时开发“分层测厚”功能，区分软质样品的表面压缩与内部变形，为低导热材料检测提供更精准的技术支撑。

 6. 结论

ST-500低导热材料检测装备通过测厚系统优化，成功解决上下板水平偏差、升降机冲击、零点校准缺失及连续测试厚度继承误差4项关键问题，测厚标准差从优化前的0.3~1.39 mm降至≤0.017 mm，结合高灵敏度EKOHF-30S热流计与Pt100热电阻，进一步实现控温精度±0.05℃、检测准确度±2%的核心性能指标，完全满足低导热材料(1~50 mW/(m∙K))的检测需求。

实验验证结果表明，装备对不同硬度VIP板的适配性存在显著差异：硬质VIP板(349 × 504 × 13.80 mm)在“取出”与“不取出”两种装载方式下，厚度误差均 ≤ 0.02 mm，导热系数误差 ≤ 0.1 mW/(m∙K)，可根据测试效率需求选取装载方式；中软质与软质VIP板受材料弹性与结构影响，“不取出”装载时会出现不同程度的厚度衰减，其中软质板衰减幅度最大(0.13 mm)，导热系数波动也更为明显，因此需优先选择“取出”装载方式，避免变形对检测结果的干扰。

与同类检测装备对比，ST-500低导热材料检测装备展现出显著的性能与成本优势：测厚重复性优于进口耐驰HFM446 (标准差0.01 mm vs 0.013 mm)，导热系数检测偏差仅0.84%，且成本仅为进口设备的1/2，同时满足GB/T 10295-2008标准要求，能够有效替代进口设备，推动建筑节能、家电制造及冷链物流等领域低导热材料检测的国产化进程。

 NOTES

*通讯作者。

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