高導熱產品如何測定導熱系數？

激光閃射法（LFA）

激光閃射法可以應用于廣泛的材料領域，包括石墨、金屬、陶瓷、聚合物、復合材料等，測量溫度范圍寬（常溫~500℃），測量范圍可達0.1~2000 Wm^-1K^-1。該方法是非接觸式與非破壞式的測量技術，具有樣品制備簡易，所需的樣品體積小，測量速度快，測量精度高等眾多優點。不僅能精確地直接測量熱擴散系數，也可乘以樣品的比熱容和密度，計算導熱系數。

圖1 激光導熱儀

測試原理

激光閃射法屬于非接觸與非破壞式的測試方法，具有測量速度快、精度高，樣品制備簡易等優點。

測試原理如下圖，在樣品下方用激光脈沖（或者其他可以產生短周期脈沖能量的裝置）對樣品進行高強度短時能量脈沖輻射，樣品下表面吸收了脈沖能量后溫度瞬時升高，與上表面形成溫度差，熱量從下表面傳至上表面，上表面溫度開始升高，紅外探測器探測到上表面溫度變化并記錄數據。

圖2 激光閃射法測試原理示意圖

假如，有以下的理想情況：

a）能量脈沖的周期極短，與樣品背面達到最高溫度的二分之一的時間相比可以忽略不計（要求周期小于二分之一溫度時間的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中曲線到達最高溫度后不會衰減）；

c）光源的能量束斑強度均勻（即束斑任何一點的強度都相同），則可得到如下圖的信號—時間曲線：

圖3 特征信號曲線

假如，有以下的理想情況：

a）能量脈沖的周期極短，與樣品背面達到最高溫度的二分之一的時間相比可以忽略不計（要求周期小于二分之一溫度時間的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中曲線到達最高溫度后不會衰減）；

c）光源的能量束斑強度均勻（即束斑任何一點的強度都相同），則可得到如下圖的信號—時間曲線：

然后根據以下式子得到樣品在某一恒定溫度T下的熱擴散系數（Thermal Diffusivity）α（mm²s^-1）計算公式為：

（1）α=0.13879L²/t_1/2

L為樣品厚度，t_1/2為樣品背光面溫度到達最高點的一半時的時間。

導熱系數λ（Wm^-1K^-1）計算公式為：

（2）λ=α(T)ρ(T)C_p(T)

α為樣品熱擴散系數，ρ為樣品密度，Cp為樣品的比熱容。通過公式（2）可計算出試樣在某一溫度T下的導熱系數（Thermal Conductivity）。

所以激光閃射法主要是通過測量出試樣的熱擴散系數進而通過公式計算出該試樣的導熱系數。

影響因素

上述結論的前提是樣品與測試系統處于一個理想狀態下，但實際上有許多影響因素如脈沖周期無法小于t_1/2的2%，照射時間有一定的延滯、樣品熱損耗、內部橫向熱傳導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，這些問題需要在計算上進行修正。除此之外測試參考標準中要求測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確性與實用性。

我司所用的德國耐馳激光閃射儀（NETZSCH LFA 467）附帶系統中有許多熱學計算模型。針對非理想條件引起的偏差可以選用適當的計算模型進行修正。如使用Cowan模型進行脈沖修正。

圖4 選用模型對實驗數據進行修正

圖5 脈沖周期忽略模型與數據的對比

圖6 無熱損失模型與實驗數據的修正

關于比熱容的測試，在測量樣品的熱擴散系數的同時可采用標準參比樣品與樣品進行比較來獲得。但由于熱擴散系數與比熱容的測定條件比較苛刻，影響因素比較多，同時測出樣品比熱容往往會得到錯誤的結果。因此我司采用差示掃描量熱法（DSC）進行比熱容的測試。差示掃描量熱法是目前公認測比熱容最可靠的方法。最終測出的比熱容的偏差在3%左右。

密度的測量采用高精密陶瓷孔隙率體積密度測試儀進行測量。對在室溫下進行的密度測量，可根據膨脹系數表進行修正。

測試依據的標準中要求測試樣品為均勻各向同性的不透光樣品，實際上可以通過使用合適的方法（如改進樣品容器，對透光、導熱差的樣品進行石墨噴涂等）并且選擇合適的熱學計算模型來測試如液體、粉末、薄膜、復合材料以及多種各向異性材料的熱擴散系數，大大的提高了該方法的實用性。

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