激光閃射法測(cè)量金屬樣品導(dǎo)熱系數(shù)
2017-08-30 瀏覽量：10486
來源：美信檢測(cè) 作者：工程師
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測(cè)試原理
激光閃射法屬于非接觸與非破壞式的測(cè)試方法，具有測(cè)量速度快、精度高，樣品制備簡(jiǎn)易等優(yōu)點(diǎn)。
測(cè)試原理如下圖，在樣品下方用激光脈沖（或者其他可以產(chǎn)生短周期脈沖能量的裝置）對(duì)樣品進(jìn)行高強(qiáng)度短時(shí)能量脈沖輻射，樣品下表面吸收了脈沖能量后溫度瞬時(shí)升高，與上表面形成溫度差，熱量從下表面?zhèn)髦辽媳砻妫媳砻鏈囟乳_始升高，紅外探測(cè)器探測(cè)到上表面溫度變化并記錄數(shù)據(jù)。
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圖 1 激光閃射法測(cè)試原理示意圖
假如，有以下的理想情況：a）能量脈沖的周期極短，與樣品背面達(dá)到最高溫度的二分之一的時(shí)間相比可以忽略不計(jì)（要求周期小于二分之一溫度時(shí)間的2%）；b）熱量只在垂直的一維方向上傳播而沒有橫向熱傳播且沒有任何熱損耗（圖2中曲線到達(dá)最高溫度后不會(huì)衰減）；c）光源的能量束斑強(qiáng)度均勻（即束斑任何一點(diǎn)的強(qiáng)度都相同），則可得到如下圖的信號(hào)—時(shí)間曲線：
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圖 2 特征信號(hào)曲線
然后根據(jù)以下式子得到樣品在某一恒定溫度T下的熱擴(kuò)散系數(shù)（Thermal Diffusivity）α（mm2s-1）：
α=0.13879L2/t1/2 （1）
L為樣品厚度，t1/2為樣品背光面溫度到達(dá)最高點(diǎn)的一半時(shí)的時(shí)間。
導(dǎo)熱系數(shù)λ（Wm-1K-1）計(jì)算公式為：
λ =α(T)ρ(T)Cp(T) （2）
α為樣品熱擴(kuò)散系數(shù)，ρ為樣品密度，Cp為樣品的比熱容。通過公式（2）可計(jì)算出試樣在某一溫度T下的導(dǎo)熱系數(shù)（Thermal Conductivity）。
所以激光閃射法主要是通過測(cè)量出試樣的熱擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)而通過公式計(jì)算出該試樣的導(dǎo)熱系數(shù)。
影響因素
上述結(jié)論的前提是樣品與測(cè)試系統(tǒng)處于一個(gè)理想狀態(tài)下，但實(shí)際上有許多影響因素如脈沖周期無法小于t1/2的2%，照射時(shí)間有一定的延滯、樣品熱損耗、內(nèi)部橫向熱傳導(dǎo)以及能量束斑不均勻（不均勻加熱）等非理想條件引起的各種偏差，這些問題需要在計(jì)算上進(jìn)行修正。除此之外測(cè)試參考標(biāo)準(zhǔn)中要求測(cè)試的樣品為均勻各向同性的不透光固體材料等，都影響激光閃射法的準(zhǔn)確性與實(shí)用性。
我司所用的德國(guó)耐馳激光閃射儀（NETZSCH LFA 467）附帶系統(tǒng)中有許多熱學(xué)計(jì)算模型。針對(duì)非理想條件引起的偏差可以選用適當(dāng)?shù)挠?jì)算模型進(jìn)行修正。如使用Cowan模型進(jìn)行脈沖修正。
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圖 3 選用模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正
如下圖[1]
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圖 4 脈沖周期忽略模型與數(shù)據(jù)的對(duì)比
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圖 5無熱損失模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的修正
關(guān)于比熱容的測(cè)試，在測(cè)量樣品的熱擴(kuò)散系數(shù)的同時(shí)可采用標(biāo)準(zhǔn)參比樣品與樣品進(jìn)行比較來獲得。但由于熱擴(kuò)散系數(shù)與比熱容的測(cè)定條件比較苛刻，影響因素比較多，同時(shí)測(cè)出樣品比熱容往往會(huì)得到錯(cuò)誤的結(jié)果。因此我司采用差示掃描量熱法（DSC）進(jìn)行比熱容的測(cè)試。差示掃描量熱法是目前公認(rèn)測(cè)比熱容最可靠的方法。最終測(cè)出的比熱容的偏差在3%左右。
密度的測(cè)量采用高精密陶瓷孔隙率體積密度測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量。對(duì)在室溫下進(jìn)行的密度測(cè)量，可根據(jù)膨脹系數(shù)表進(jìn)行修正。
測(cè)試依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)中要求測(cè)試樣品為均勻各向同性的不透光樣品，實(shí)際上可以通過使用合適的方法（如改進(jìn)樣品容器，對(duì)透光、導(dǎo)熱差的樣品進(jìn)行石墨噴涂等）并且選擇合適的熱學(xué)計(jì)算模型來測(cè)試如液體、粉末、薄膜、復(fù)合材料以及多種各向異性材料的熱擴(kuò)散系數(shù)，大大的提高了該方法的實(shí)用性。
參考文獻(xiàn)
[1] GB/T 22588-2008 閃光法測(cè)量熱擴(kuò)散系數(shù)或?qū)嵯禂?shù)[S]
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