摘要：TPS技术的核心是通过动态热脉冲生成-响应模型快速测定材料热导率，其物理基础为非稳态传热理论和电阻测温技术。TCT-S2的独特设计将TPS的高效性与计算机自动化技术深度融合，实现了实验室级精度的工业级检测。

一、瞬态平面热源法（TPS）的原理与核心设计

TPS技术的核心是通过动态热脉冲生成-响应模型快速测定材料热导率，其物理基础为非稳态传热理论和电阻测温技术。TCT-S2的独特设计将TPS的高效性与计算机自动化技术深度融合，实现了实验室级精度的工业级检测。

北京中航时代仪器设备有限公司——TCT-S2导热系数测试仪

1. 双螺旋平面探头的设计与功能

结构特征：

探头采用双螺旋对称结构，由高镍合金薄片（厚度≤100μm）经光刻-蚀刻工艺制成，螺旋间隙精度达±2μm。
双螺旋几何设计具有以下优势：

均质热流分布：双螺旋的对称性确保热流在材料中呈径向均匀扩散，避免单一热源导致的热场畸变。

冗余温度传感：两组螺旋导线同时作为加热单元和电阻温度传感器，通过差分测量消除外界温度漂移干扰。

电学特性：

探头的电阻温度系数（TCR）达到4000 ppm/K，电阻值为5~10Ω，确保在微小温升（ΔT≈1~5K）下仍能精准感知电阻变化（分辨率达0.001Ω）。

2. 惠斯通电桥与信号采集系统

电桥配置：
TCT-S2采用四线制惠斯通电桥，将双螺旋探头接入其中一臂，通过消除导线电阻的影响，直接测量探头的电阻变化。电桥平衡方程为：

当热脉冲施加时，失衡电压ΔV由24位高精度ADC捕获，动态采样频率达1kHz。

电压-温度转换：
根据电阻-温度关系式，将电压信号转换为实时温度曲线，结合加热功率计算热导率。

二、TCT-S2的测量流程与技术突破

1. 实验操作的四大关键步骤

样品制备：

将样品加工为平行平面片状（典型尺寸Φ30mm×5mm）。

对表面进行抛光（粗糙度Ra

探头夹持与温控：

探头夹置于两片样品之间，通过气动装置施加可控压力（0.5~2MPa），确保低接触热阻。

环境温度由PID控温的铜质热沉精确调节（控温精度±0.1°C）。

动态热脉冲激发：

施加恒流脉冲（I=10mA~1A，持续时间1~10s），使探头产生瞬态温升。

通过前置放大器与数字滤波（如贝塞尔低通滤波）消除电磁干扰。

数据分析与输出：

基于Carslaw-Jaeger瞬态传热解析解，算法拟合温升曲线斜率，计算导热系数λ：

其中，λ为探头有效半径，P为输入功率。

2. TPS技术的四大核心优势

三、技术创新与性能验证

1. 自适应热脉冲优化算法

针对不同导热性能的材料（如金属与塑料），TCT-S2自动调整热脉冲参数：

低导热材料（如气凝胶λ≈0.02 W/(m·K))：延长加热时间至10s并降低电流（I=50mA），避免温度过冲。

高导热材料（如铜λ≈400 W/(m·K))：采用短脉冲（t=1s）高电流（I=800mA），确保足够的信噪比。

验证案例：某航空用碳纤维复合材料（正交各向异性）

注：横向偏差源于闪光法对薄样品的边界效应敏感，TPS法更适应复杂形状样品。

2. 热导率测量的极限拓展

超低导热测试（λ：引入真空腔（压力

高温极限（T>500°C）：采用氮化硅保护层覆盖探头，耐温提升至800°C，应用于陶瓷基复合材料（CMC）的燃气轮机叶片测试。

四、行业应用场景与未来趋势

1. 典型应用场景

半导体封装可靠性评估：
测定0.1mm厚环氧树脂模塑料（EMC）的导热系数，确保芯片散热性能满足5G高频器件的结温限制。

动力电池热管理设计：
快速筛选不同电解液配方的热导率（液体模式下精度±3%），优化锂离子电池的热失控防护。

地质岩芯分析：
原位测定页岩气的储层岩石导热系数（无需破坏岩芯结构），服务于油气勘探效率提升。

2. 未来技术方向

多物理场耦合测量：
在热脉冲激发的同时施加压力或电场（如铁电材料测试），实现热-力-电多参数同步表征。

微型化探头集成：
开发微机电（MEMS）探头（尺寸

总结：TPS技术的革新意义

TCT-S2通过双螺旋平面探头设计、高精度电桥信号链与自适应算法的集成，将TPS方法提升至工业级测量水平，其快速性（秒级结果）、广泛适用性（全物态样品）与高精度（误差

来源：晓晨看科技