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激光導(dǎo)熱儀的基本原理與應(yīng)用
來(lái)源:測(cè)試GO 時(shí)間:2021-01-21 20:48:20 瀏覽:9883次

1簡(jiǎn)介

激光導(dǎo)熱儀主要用于材料導(dǎo)熱性能的測(cè)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(jì)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(cè)試得到材料的熱擴(kuò)散系數(shù),同時(shí)可以測(cè)試得到材料的比熱,已知比熱和熱擴(kuò)散系數(shù),可以計(jì)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(cè)試,絕熱材料除外。激光導(dǎo)熱儀尤其適用于高導(dǎo)熱材料高溫下的導(dǎo)熱性能的測(cè)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(cè)試主要有穩(wěn)態(tài)法非穩(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(cè)物質(zhì)溫度梯度不變,形成穩(wěn)態(tài)傳熱,通過(guò)傅立葉定律得到被測(cè)物質(zhì)的導(dǎo)熱性能[1]。

圖1穩(wěn)態(tài)法-熱流法測(cè)試示意圖

圖1

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

穩(wěn)態(tài)法測(cè)試高導(dǎo)熱材料,測(cè)試時(shí)很難保持溫度梯度不變,穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)達(dá)到的時(shí)間長(zhǎng)、測(cè)試效率低,對(duì)被測(cè)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(cè)試中,樣品的溫度隨時(shí)間變化而變化,對(duì)熱平衡下的樣品施加熱干擾,檢測(cè)樣品溫度的變化并通過(guò)分析軟件分析計(jì)算得到樣品的熱物性參數(shù)[1]。

瞬態(tài)法測(cè)試范圍廣、可測(cè)試材料種類多、測(cè)試溫度高、測(cè)試速度快,是目前應(yīng)用最多的測(cè)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(guò)測(cè)試樣品不同時(shí)間的溫度差,來(lái)分析樣品的導(dǎo)熱性能。塊體測(cè)試示意圖如圖2所示。

圖2塊體測(cè)試示意圖

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(cè)器檢測(cè)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(cè)試材料的比熱,結(jié)合樣品的密度,可以計(jì)算得到導(dǎo)熱系數(shù)。激光閃射法測(cè)試示意圖如圖3所示。

圖3激光閃射法測(cè)試示意圖

圖3

激光導(dǎo)熱儀基于激光閃射法而設(shè)計(jì)。

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(shí)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(guò)紅外檢測(cè)器接收并記錄,通過(guò)分析軟件分析得到熱擴(kuò)散系數(shù)[2]。

激光導(dǎo)熱儀的測(cè)試在絕熱環(huán)境下進(jìn)行,同時(shí)也可以測(cè)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(jì)算得到導(dǎo)熱系數(shù)。

3原理介紹

絕熱條件下,溫升時(shí)間和熱擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系如下[3]:

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(shí)間;

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

3.1原理

3.2理論計(jì)算原理

圖4溫度升高和時(shí)間關(guān)系曲線[4]

圖4

比熱容定義[5]:

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(guò)公式(2)可以得到下式:

公式(3)

當(dāng)測(cè)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(shí),Q標(biāo)樣=Q樣品。由公式(3)可得下式:

公式(4)

通過(guò)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[3]:

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(cè)試熱擴(kuò)散系數(shù),也可以得到比熱,結(jié)合樣品

密度,通過(guò)公式(5)可以求得導(dǎo)熱系數(shù)。

4儀器介紹

激光導(dǎo)熱儀發(fā)展久遠(yuǎn),使用的儀器型號(hào)很多。目前,主要生產(chǎn)廠家有德國(guó)耐馳、德國(guó)林賽斯等。型號(hào)主要有德國(guó)林賽斯LinseisLFA1000/2000/500、德國(guó)耐馳NetzschLFA467/457/427/467HT、NetzschNanoTR/PicoTR,以及國(guó)產(chǎn)柯銳歐生產(chǎn)的CLA等。

圖5LFA467/467HT型激光導(dǎo)熱儀

圖5

4.1主要型號(hào)

圖6LFA1000型激光導(dǎo)熱儀

圖6

圖7LFA427型激光導(dǎo)熱儀

圖7

下面以NetzschLFA427型激光導(dǎo)熱儀為例介紹儀器組成、儀器參數(shù)以及對(duì)樣品的要求。

4.2儀器組成

激光導(dǎo)熱儀主要由激光發(fā)射裝置、試樣加熱及冷卻裝置、信號(hào)檢測(cè)裝置、數(shù)據(jù)采集記錄裝置、分析軟件等組成[6]。

激光發(fā)射裝置:發(fā)射光脈沖,照射樣品,提供熱源。激光能量和脈沖寬度可以自由選擇。

試樣加熱及冷卻裝置:脈沖通過(guò)光路,到達(dá)試樣表面,在這里對(duì)樣品加熱,測(cè)試完成后樣品在這里冷卻。信號(hào)檢測(cè)裝置:使用紅外檢測(cè)器對(duì)樣品溫度變化進(jìn)行檢測(cè)。數(shù)據(jù)采集記錄裝置:當(dāng)紅外檢測(cè)器檢測(cè)到樣品熱量的變化,傳送給數(shù)據(jù)采集記錄裝置。分析軟件:對(duì)信號(hào)值進(jìn)行分析擬合,得到熱擴(kuò)散系數(shù);同時(shí)使用比熱模塊,或者直接結(jié)合比熱和密度,分析得到導(dǎo)熱系數(shù)。除此之外,激光導(dǎo)熱儀附件主要有:樣品支架、噴碳設(shè)備、恒溫水浴、流量計(jì)、真空泵、標(biāo)準(zhǔn)樣品及參比樣品等。樣品支架:對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)樣品尺寸,配有鋁、碳化硅或者石墨等材料制作的支架和樣品罩;針對(duì)不同尺寸的樣品,配有氧化鋁、藍(lán)寶石、鉑金等材料制作的支架或容器。

噴碳設(shè)備:主要用于樣品表面的噴碳。樣品一般先經(jīng)過(guò)超聲清洗,然后使用石墨噴罐對(duì)樣品上下便面進(jìn)行噴涂,待石墨干燥后,樣品上下表面形成一層均勻致密的碳膜[6]。

恒溫水?。褐饕糜陂L(zhǎng)時(shí)間工作、溫度的穩(wěn)定性。

流量計(jì):用于調(diào)節(jié)吹掃氣體的流量。

真空泵:渦輪分子泵等多種類型,測(cè)試可以在高真空或者惰性氣氛中進(jìn)行。激光導(dǎo)熱儀是完全封閉的測(cè)量系統(tǒng),具有多種爐體類型,激光能量、氣氛、真空、脈沖寬度可以自由選擇。

圖8激光導(dǎo)熱儀結(jié)構(gòu)示意圖

圖8

4.3儀器參數(shù)

溫度范圍:-120°C~2800°C;

升溫速率:0.01K/min~50K/min;

熱擴(kuò)散系數(shù)范圍0.01~1000mm2/s;

熱擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試準(zhǔn)確度:±3%[7];

比熱測(cè)試準(zhǔn)確度:±5%[7];

導(dǎo)熱系數(shù):0.1~2000W/(m?K);

導(dǎo)熱系數(shù)準(zhǔn)確度:±5%~±7%[6];

激光能量:25J/pulse;可調(diào);

脈沖寬度:最大1.2ms;

支架類型:氧化鋁、石墨、碳化硅、鋁等;藍(lán)寶石熔融金屬容器;鉑金液體容器高真空密閉系統(tǒng):真空度10-5mbar;

氣氛:惰性、氧化、還原、靜態(tài)、動(dòng)態(tài);

樣品狀態(tài):固體、粉末、液體;

樣品種類:纖維、陶瓷、金屬、玻璃、熔融物、復(fù)合材料等。

4.4樣品要求

固體樣品

樣品尺寸:圓形樣品直徑6~12.7mm,以及直徑20mm;方形樣品邊長(zhǎng)10mm。樣品厚度:0.1~6mm。

5特點(diǎn)

5.1優(yōu)點(diǎn)

1)測(cè)試樣品種類多;

2)測(cè)試周期短;

3)測(cè)試溫度寬;

4)導(dǎo)熱性能測(cè)試精度高:熱擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試準(zhǔn)確度約3%,比熱測(cè)試準(zhǔn)確度約5%;

5)樣品尺寸小;

6)測(cè)試爐體類型多;

7)樣品支架種類豐富;

8)氣氛可設(shè)定;

9)長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試穩(wěn)定;

5.2缺點(diǎn)

1)固體樣品尺寸嚴(yán)格;

2)比熱測(cè)試誤差較大,導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試誤差較大;提高比熱的測(cè)試精度有助于提高導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試精度。

6應(yīng)用

6.1測(cè)試熱擴(kuò)散系數(shù)

激光導(dǎo)熱儀直接測(cè)得的是熱擴(kuò)散系數(shù),測(cè)試精度為±3%。測(cè)量范圍0.01~1000mm2/s。

王洛[8]等使用LFA427型激光導(dǎo)熱儀對(duì)金屬試樣的熱擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試,并研究了測(cè)試的準(zhǔn)確性,探討了造成誤差的主要因素。測(cè)試前,將金屬試樣制成直徑12.5mm,質(zhì)量2.64g的圓柱形圓片,保證表面平整。通過(guò)測(cè)試厚度,計(jì)算得到樣品的密度。設(shè)置溫度200°C,測(cè)試10次得到的結(jié)果如下表所示。

表1導(dǎo)熱性能測(cè)量結(jié)果[8]

圖9

激光導(dǎo)熱儀測(cè)試熱擴(kuò)散系數(shù)的精確度很高,得到了廣大使用者的認(rèn)可。激光導(dǎo)熱儀也用于測(cè)試導(dǎo)熱系數(shù),而導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試誤差較大。實(shí)驗(yàn)中造成該誤差的因素有樣品本身因素:樣品厚度、樣品質(zhì)量、底面直徑等;也有測(cè)試因素:測(cè)試時(shí)間t50、比熱等。實(shí)驗(yàn)探討了這些因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響程度,結(jié)果如下表所示。

表2各因素不確定度匯總表[8]

圖10

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),造成導(dǎo)熱系數(shù)誤差的主要因素是比熱的測(cè)試。所以通過(guò)提高比熱的測(cè)試精度可以提高激光導(dǎo)熱儀對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試精度。

6.2測(cè)試導(dǎo)熱系數(shù)

激光導(dǎo)熱儀測(cè)試間接測(cè)試導(dǎo)熱系數(shù),測(cè)試精度為±5%~±7%,范圍0.1~2000W/(m?K)。

何燕[9]等使用LFA447型激光導(dǎo)熱儀測(cè)試了炭黑N220填充硫化膠的導(dǎo)熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)測(cè)試比熱和熱擴(kuò)散系數(shù),計(jì)算得到導(dǎo)熱系數(shù)。測(cè)試樣品直徑12.7mm,厚度2mm,分別添加炭黑N22040、50、60、70、80份。實(shí)驗(yàn)中用液氮作為冷卻氣,測(cè)試分析這5種樣品30°C~140°C的導(dǎo)熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9不同樣品導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化曲線[9]

圖11

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)擬合發(fā)現(xiàn),導(dǎo)熱系數(shù)和溫度呈線性關(guān)系。宮尚寶[4]使用LFA427型激光導(dǎo)熱儀測(cè)試青花鎂磚的熱擴(kuò)散系數(shù)和比熱,結(jié)合青花鎂磚的密度,計(jì)算得到導(dǎo)熱系數(shù)并進(jìn)行誤差分析。實(shí)驗(yàn)選用的青花鎂磚,密度為2.942g/cm3,直徑19.6mm。下表為青花鎂磚在常溫、200°C、400°C、600°C、800°C、1000°C的導(dǎo)熱性能參數(shù)。

表3青花鎂磚在不同溫度下的導(dǎo)熱性能[4]

圖12

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱性能誤差主要來(lái)源于標(biāo)樣的選擇、樣品結(jié)構(gòu)、碳膜噴涂的厚度、樣品熱膨脹系數(shù)等。

6.3測(cè)試比熱

激光導(dǎo)熱儀帶有測(cè)試比熱系統(tǒng),測(cè)試比熱誤差較大,精度為±5%。激光導(dǎo)熱儀測(cè)試比熱的精度遠(yuǎn)小于差示掃描量熱儀DSC測(cè)試比熱的精度。

鄧元[3]等使用LFA457型激光導(dǎo)熱儀測(cè)試了圓形橡膠樣品的比熱,并和DSC法測(cè)試進(jìn)行對(duì)比,選擇精度高的測(cè)試方法,并提出了激光導(dǎo)熱儀和差示掃描量熱儀聯(lián)用測(cè)試導(dǎo)熱系數(shù)的新方法。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了25°C、50°C、100°C時(shí)橡膠的比熱,結(jié)果如下:

表4不同儀器測(cè)試的樣品的比熱[3]

圖13

根據(jù)測(cè)試得到的比熱,計(jì)算得到的導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)果如下:

表5不同儀器測(cè)試比熱計(jì)算得到的導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)果[3]

圖14

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,直接使用激光導(dǎo)熱儀測(cè)試比熱,然后計(jì)算得到的導(dǎo)熱系數(shù)與差示掃描量熱儀測(cè)試比熱,計(jì)算得到的導(dǎo)熱系數(shù)相比,相差很大。為了改善激光導(dǎo)熱儀測(cè)試比熱對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的誤差影響,可以使用DSC測(cè)試比熱,激光導(dǎo)熱儀測(cè)試熱擴(kuò)散系數(shù),然后結(jié)合密度,計(jì)算樣品的導(dǎo)熱系數(shù),這樣便提高了激光導(dǎo)熱儀測(cè)試導(dǎo)熱系數(shù)的精確度。

參考文獻(xiàn)

[1]姚凱,鄭會(huì)保,劉運(yùn)傳,王康,孟祥艷,周燕萍,王雪蓉,王倩倩.導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方法概述[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),2018,54(10):741-747.

[2]吳清良,賴燕玲,顧海靜,梁以流.導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方法的綜述[J].佛山陶瓷,2011,21(12):20-22.

[3]鄧元,魏曉星,何淑淀,蔣劍雄,來(lái)國(guó)橋.差示掃描量熱儀和激光導(dǎo)熱儀聯(lián)用測(cè)定材料導(dǎo)熱系數(shù)[J].杭州師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,9(03):220-222.

[4]宮尚寶.LFA激光導(dǎo)熱儀的測(cè)試原理與誤差分析[J].安徽冶金,2007(03):27-28+44.

[5]張斌,王東,趙維平.激光閃射法測(cè)試微孔炭磚導(dǎo)熱系數(shù)研究[J].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化,2017(12):21-22.

[6]張琳,杜斌,魯燕萍.激光導(dǎo)熱儀準(zhǔn)確測(cè)量比熱容的方法研究[J].真空電子技術(shù),2015(02):41-45.

[7]王東,孫曉紅,趙維平,李明飛.激光閃射法測(cè)試耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)的原理與方法[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù),2009,36(03):38-39+42.

[8]王洛,劉自民,饒磊,樊明宇,王俊北,馮順華.激光閃射法測(cè)量金屬試樣導(dǎo)熱系數(shù)的不確定度評(píng)定的探討[J].安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2019,29(04):15-18.

[9]何燕,馬連湘.用激光導(dǎo)熱儀測(cè)定炭黑填充橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)[J].合成橡膠工業(yè),2008(04):255-258.

說(shuō)明:圖5/6/7來(lái)源于耐馳科學(xué)儀器商貿(mào)(上海)有限公司官網(wǎng)。部分儀器介紹內(nèi)容參考該官網(wǎng)儀器介紹。

 

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