激光導(dǎo)熱儀工作原理與應(yīng)用范圍

更新時(shí)間：2023-01-09

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　　激光導(dǎo)熱儀簡介：

　　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。

　　激光導(dǎo)熱儀工作原理：

　　激光導(dǎo)熱儀由激光源在瞬間發(fā)射一束激光脈沖，均勻照射在樣品下表面；使其表層吸收光能后溫度瞬時(shí)升高，并作為熱端將能量以一維熱傳導(dǎo)方式向冷端（上表面）傳播。使用紅外檢測(cè)器連續(xù)測(cè)量上表面中心部位的相應(yīng)溫升過程（見圖1），得到類似于右下圖的溫度（檢測(cè)器信號(hào)）升高和時(shí)間的關(guān)系曲線（見圖2）。

　　應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件的數(shù)學(xué)模型對(duì)理論曲線和試驗(yàn)溫度上升曲線進(jìn)行計(jì)算修正，從而測(cè)出樣品的熱擴(kuò)散系數(shù)，再測(cè)出比熱已知的標(biāo)樣的熱擴(kuò)散系數(shù)，利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算出樣品的比熱，系統(tǒng)根據(jù)以下公式自動(dòng)計(jì)算出樣品的導(dǎo)熱系數(shù)：

　　λ（T）=α（T）Cρ（T）·ρ（T）式中:λ為導(dǎo)熱系數(shù),W/(m K);α為熱擴(kuò)散系數(shù),mm2/s;Cρ為比熱J/g/K;ρ為密度,g/cm3。

　　其中樣品的密度一般在室溫下測(cè)定,其隨溫度的變化可使用材料的線膨脹系數(shù)進(jìn)行修正（同時(shí)修正樣品厚度隨溫度的變化),在測(cè)量溫度不太高、樣品尺寸變化不太大的情況下也可近似認(rèn)為不變。

　　溫度升高和時(shí)間關(guān)系曲線

　　激光導(dǎo)熱儀應(yīng)用范圍：

　　激光閃射導(dǎo)熱測(cè)試方法所要求的樣品尺寸小，測(cè)量速度快，精度高；

　　能夠覆蓋<0.1-2000W/m*K（從較低導(dǎo)熱系數(shù)的聚合物，到超高導(dǎo)熱的金剛石）的寬廣的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量范圍，測(cè)量溫度范圍寬，樣品適應(yīng)面廣；

　　不僅能測(cè)量普通固體樣品的導(dǎo)熱性能，通過使用合適的夾具或樣品容器并選用合適的熱學(xué)計(jì)算模型；

　　還可測(cè)量諸如液體、粉末、纖維、薄膜、熔融金屬、膏狀材料、基質(zhì)上的涂層、多層復(fù)合材料、各向異性材料等特殊樣品的熱擴(kuò)散系數(shù)并進(jìn)而計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)。

　　激光導(dǎo)熱測(cè)試常見的問題解答：

　　1.能否測(cè)熱障涂層熱導(dǎo)率？能不能測(cè)高溫?zé)釋?dǎo)率？測(cè)熱導(dǎo)率需要滿足什么尺寸要求？

　　可以測(cè)。材料要求：最佳尺寸：直徑12.7 mm，厚度1~3mm；其他尺寸：直徑10mm，厚度1~3mm或10×10×(1~3)mm（熱擴(kuò)散測(cè)試）。

　　2.尺寸小的樣品測(cè)試有誤差？

　　樣品尺寸小，會(huì)影響數(shù)據(jù)結(jié)果；我們有直徑10mm,邊長10mm的夾具、標(biāo)樣等，但是這種尺寸測(cè)出來的數(shù)據(jù)不如直徑12.7的準(zhǔn)確，建議加工成標(biāo)準(zhǔn)的12.7mm的直徑，0.1mm，除非樣品難以制備成12.7的，客戶允許存在數(shù)據(jù)誤差；

　　例如：純銅樣品，直徑是10mm的樣品，熱擴(kuò)散實(shí)測(cè)值129，10*10mm的樣品，熱擴(kuò)散實(shí)測(cè)值119，直徑12.7mm的樣品，熱擴(kuò)散實(shí)測(cè)值114，而純銅的理論熱擴(kuò)散在115-116左右，直徑12.7mm的樣品結(jié)果接近理論值；

　　3.測(cè)試過程中，比熱、密度會(huì)不會(huì)造成誤差？測(cè)試熱導(dǎo)率時(shí)比熱會(huì)有變化嗎?變化大嗎?

　　比熱是在測(cè)試過程中通過與石墨或其它材質(zhì)標(biāo)樣比對(duì)得到的，會(huì)存在一定的誤差，要求比較高的客戶建議用DSC測(cè)試；密度建議客戶自己提供或者通過其他更準(zhǔn)確的方法進(jìn)行測(cè)試；比熱都會(huì)隨著溫度的變化而變化,變化大小和樣品本身的性質(zhì)有關(guān)；

　　4.幾種測(cè)熱導(dǎo)的方法有什么區(qū)別？

　　激光熱導(dǎo)適合做一些高導(dǎo)熱系數(shù)的，厚度方向的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試；薄膜熱導(dǎo)適用于薄膜材料，測(cè)水平方向的導(dǎo)熱系數(shù)；熱流法適用絕熱或低導(dǎo)熱系數(shù)的材料；