激光導(dǎo)熱儀可以測什么

1簡介

激光導(dǎo)熱儀可以測什么

激光導(dǎo)熱儀主要用于材料導(dǎo)熱性能的測試。表征材料導(dǎo)熱性能的參數(shù)主要有熱擴(kuò)散系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱。導(dǎo)熱性能的表征方法有很多種，主要有熱流法、瞬態(tài)平面法、激光閃射法等，其中激光閃射法也稱作閃光法和激光法。基于激光閃射法理論設(shè)計而成的導(dǎo)熱儀就叫做激光導(dǎo)熱儀。激光導(dǎo)熱儀可以直接測試得到材料的熱擴(kuò)散系數(shù)，同時可以測試得到材料的比熱，已知比熱和熱擴(kuò)散系數(shù)，可以計算得到導(dǎo)熱系數(shù)。

激光導(dǎo)熱儀適用于絕大多數(shù)材料導(dǎo)熱性能的測試，絕熱材料除外。激光導(dǎo)熱儀尤其適用于高導(dǎo)熱材料和高溫下的導(dǎo)熱性能的測試，廣泛應(yīng)用于材料、汽車、航天、電子、化工、能源等領(lǐng)域。

2發(fā)展

導(dǎo)熱性能的測試主要有穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法。

最開始發(fā)展的是穩(wěn)態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法主要有熱流法、熱板法、防護(hù)熱板法、圓管法等。

穩(wěn)態(tài)法的主要特點(diǎn)是保持被測物質(zhì)溫度梯度不變，形成穩(wěn)態(tài)傳熱，通過傅立葉定律得到被測物質(zhì)的導(dǎo)熱性能[1]。

圖1

穩(wěn)態(tài)法主要用于低導(dǎo)熱材料的測試，此時測試準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好、方法便捷。對于高導(dǎo)熱材料，穩(wěn)態(tài)法不能滿足其導(dǎo)熱性能的測試。

穩(wěn)態(tài)法測試高導(dǎo)熱材料，測試時很難保持溫度梯度不變，穩(wěn)態(tài)溫度場達(dá)到的時間長、測試效率低，對被測物質(zhì)的尺寸較為嚴(yán)格。非穩(wěn)態(tài)法便應(yīng)運(yùn)而生。

非穩(wěn)態(tài)法也稱為瞬態(tài)法，測試中，樣品的溫度隨時間變化而變化，對熱平衡下的樣品施加熱干擾，檢測樣品溫度的變化并通過分析軟件分析計算得到樣品的熱物性參數(shù)[1]。

瞬態(tài)法測試范圍廣、可測試材料種類多、測試溫度高、測試速度快，是目前應(yīng)用最多的測試方法。瞬態(tài)法主要有熱線法、熱帶法、瞬態(tài)平面法和激光閃射法。熱線法、熱帶法和瞬態(tài)平面法主要將熱源做成線狀、帶狀和雙螺旋平面狀，并將熱源放置于兩塊樣品或粉末、液體之間，通過測試樣品不同時間的溫度差，來分析樣品的導(dǎo)熱性能。塊體測試示意圖如圖2所示。

圖2

激光閃射法主要依靠激光源或閃光氙燈瞬間發(fā)射脈沖光束作為熱源，并利用紅外檢測器檢測熱量，分析得到熱擴(kuò)散系數(shù)。激光導(dǎo)熱法直接得到的是熱擴(kuò)散系數(shù)，也可以測試材料的比熱，結(jié)合樣品的密度，可以計算得到導(dǎo)熱系數(shù)。激光閃射法測試示意圖如圖3所示。

圖3

激光導(dǎo)熱儀基于激光閃射法而設(shè)計。

激光閃射法，又稱作激光法或閃光法。主要利用激光源或閃光氙燈短時發(fā)出的能量脈沖輻射作為熱源，照射樣品表面，均勻加熱樣品，樣品吸收脈沖能量后，樣品背面溫度升高，產(chǎn)生的熱量變化通過紅外檢測器接收并記錄，通過分析軟件分析得到熱擴(kuò)散系數(shù)。

激光導(dǎo)熱儀的測試在絕熱環(huán)境下進(jìn)行，同時也可以測試樣品的比熱。已知熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱容，結(jié)合樣品密度，可以計算得到導(dǎo)熱系數(shù)。

3原理介紹

絕熱條件下，溫升時間和熱擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系如下：

公式（1）

公式（1）中：α-熱擴(kuò)散系數(shù)，單位cm2/s；

d-樣品厚度，單位cm；

t0.5-樣品上表面溫度升高50%需要的時間；

溫度升高和時間關(guān)系曲線如圖所示，通過擬合可以得到t0.5，結(jié)合公式（1）計算得到熱擴(kuò)散系數(shù)α。

3.1原理

3.2理論計算原理

圖4

比熱容定義為：

公式（2）

公式（2）中：CP-比熱，單位J/(g?K)；

Q-吸收的能量，單位J；

ΔT-樣品吸收能量后的溫升，單位K；

m-樣品質(zhì)量，單位g；

通過公式（2）可以得到下式：

公式（3）

當(dāng)測試中光照能量相同，樣品和標(biāo)樣下表面吸收面積與吸收比相同時，Q標(biāo)樣=Q樣品。由公式（3）可得下式：

公式（4）

通過公式（4）可以得到樣品的比熱CP。

導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱關(guān)系如下：

公式（5）

公式（5）中：λ-導(dǎo)熱系數(shù)，單位W/(m?K)；

α-熱擴(kuò)散系數(shù)，單位cm2/s；

ρ-密度，單位g/cm3；

CP-比熱，單位J/(g?K)；

激光導(dǎo)熱儀可以測試熱擴(kuò)散系數(shù)，也可以得到比熱，結(jié)合樣品密度，通過公式（5）可以求得導(dǎo)熱系數(shù)。