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/m2 |
EKOHF-30S， 灵敏度 ≥ 100 μV∙m2/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]。
Figure 2. 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。
Table 2. 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。