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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)熱材料和高溫下的導(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(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

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

比熱容定義為[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5

4.1主要型號(hào)

圖6

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

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。

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。

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)。

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：

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：

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)

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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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