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層狀樣品的熱傳遞性能的研究-耐馳
閱讀：954 發(fā)布時間：2021-1-18前言 ：在較為寬廣的的工業(yè)應用領域里，人們越來越重視對層狀樣品的熱傳遞性能進行表征。一個典型的例子就是電子元件（或 電子包裝材料）的熱傳遞性能測試。當熱量從正在工作的電子元件上傳遞出去的效率越高時，電子元件就可以以越快的時鐘 頻率運作而不至于被燒壞。另一個多層材料的例子是熱障涂層，它已經(jīng)被越來越多的用于高溫燃氣輪機上。這些陶瓷涂層不 但可以保護燃氣輪機中的金屬底層不被氣體腐蝕，同時由于涂層的低導熱性能，在涂層厚度上形成顯著的溫度梯度，從而允 許燃氣輪機在較高的溫度下工作，提高了這一體系的工作效率。
激光閃射法 激光閃射法，經(jīng)過數(shù)十年的不斷改進，已經(jīng)廣泛的用于固體材料的熱物性測試。它的基本原理是：，一束激光脈沖照射 到端面平行的片狀樣品底部，熱量從樣品底部向上傳遞，從而導致樣品的上表面溫度升高。通過檢測這一溫升隨時間的變化 得到樣品的熱擴散系數(shù)。這種測試方法是非接觸式，非破壞式的測試方法，它具有測試時間快，樣品易制備，測試準確度高 等優(yōu)勢，而且可以用于多層材料的測試。二／三層樣品測試的原理示意圖如圖2、3所示。
理論模型 多層樣品體系分析的解決方案早是由1975年Lee提出來的。他考慮到了熱損失，將Cowan單層樣品計算模型進行改進 用于計算多層樣品模式：（方程式）
新型分析模型 這里介紹一種新的分析模型，它結合了一個非線性回歸方程，可以對激光法測試結果進行很好的擬合。圖4展示了兩層 樣品測試體系的擬合情況（鎳基高溫合金表面的熱障涂層）
很明顯，這種新的分析模型能夠準確的擬合實驗測量結果。標準樣品（人工合成的兩層樣品或是兩種標準樣品形成的兩 層材料）的測試證明了這種模型的計算結果非?？煽?。只要樣品未知層的熱阻占整個樣品熱阻的50％以上，這一模型測試 誤差將會在±5％以內(nèi)。當然，對于兩層樣品模式，需要指出的是其中一層樣品的熱物性必須是已知的（比熱、密度和熱擴 散系數(shù)）。而且第二層樣品的比熱和密度也必須是已知的。這一要求同樣也適用于三層樣品測量模式。
結果與討論： 圖5是鎳基高溫合金的熱擴散系數(shù)和導熱系數(shù)測試結果。鎳基高溫合金一般用于燃氣輪機熱障涂層的基底材料。
趨勢有所變化，這是因為此時合金發(fā)生了相變。然而在同樣的溫度范圍內(nèi)，由于合金的比熱也發(fā)生了顯著的升高（圖中沒有 顯示），所以導熱系數(shù)的變化依然呈線性變化趨勢。
摻雜氧化釔的氧化鋯熱障涂層室溫～1200℃的熱擴散系數(shù)和導熱系數(shù)數(shù)據(jù)。對于這種將熱障涂層以等離子形式噴 射到合金基底層的樣品，實驗采用二層模式進行測試。該樣品取材于燃氣輪機渦輪刀片的吸力面，在測試前樣品已經(jīng)在燃氣 輪機上使用了20，000小時了。實驗表明，室溫的熱擴散系數(shù)和導熱系數(shù)是典型的多孔氧化鋯陶瓷的相應數(shù)據(jù)（孔隙率大概 12％）。而且，熱擴散系數(shù)和導熱系數(shù)隨著溫度的升高出現(xiàn)下降趨勢，這是陶瓷材料典型的熱物性變化行為。