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激光導熱儀工作原理與應(yīng)用范圍

來源:上海和晟儀器科技有限公司   2023年01月09日 17:05  
   激光導熱儀簡介:
  激光導熱儀主要用于材料導熱性能的測試。表征材料導熱性能的參數(shù)主要有熱擴散系數(shù)、導熱系數(shù)、比熱。
  導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)計而成的導熱儀就叫做激光導熱儀。激光導熱儀可以直接測試得到材料的熱擴散系數(shù),同時可以測試得到材料的比熱,已知比熱和熱擴散系數(shù),可以計算得到導熱系數(shù)。
  激光導熱儀適用于絕大多數(shù)材料導熱性能的測試,絕熱材料除外。激光導熱儀尤其適用于高導熱材料和高溫下的導熱性能的測試,廣泛應(yīng)用于材料、汽車、航天、電子、化工、能源等領(lǐng)域。
  激光導熱儀工作原理:
  激光導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升高,并作為熱端將能量以一維熱傳導方式向冷端(上表面)傳播。使用紅外檢測器連續(xù)測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(檢測器信號)升高和時間的關(guān)系曲線(見圖2)。
  應(yīng)用計算機軟件的數(shù)學模型對理論曲線和試驗溫度上升曲線進行計算修正,從而測出樣品的熱擴散系數(shù),再測出比熱已知的標樣的熱擴散系數(shù),利用數(shù)學模型計算出樣品的比熱,系統(tǒng)根據(jù)以下公式自動計算出樣品的導熱系數(shù):
  λ(T)=α(T)Cρ(T)·ρ(T)式中:λ為導熱系數(shù),W/(m K);α為熱擴散系數(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定,其隨溫度的變化可使用材料的線膨脹系數(shù)進行修正(同時修正樣品厚度隨溫度的變化),在測量溫度不太高、樣品尺寸變化不太大的情況下也可近似認為不變。
  溫度升高和時間關(guān)系曲線
  激光導熱儀應(yīng)用范圍:
  激光閃射導熱測試方法所要求的樣品尺寸小,測量速度快,精度高;
  能夠覆蓋<0.1-2000W/m*K(從較低導熱系數(shù)的聚合物,到超高導熱的金剛石)的寬廣的導熱系數(shù)測量范圍,測量溫度范圍寬,樣品適應(yīng)面廣;
  不僅能測量普通固體樣品的導熱性能,通過使用合適的夾具或樣品容器并選用合適的熱學計算模型;
  還可測量諸如液體、粉末、纖維、薄膜、熔融金屬、膏狀材料、基質(zhì)上的涂層、多層復合材料、各向異性材料等特殊樣品的熱擴散系數(shù)并進而計算導熱系數(shù)。
  激光導熱測試常見的問題解答:
  1.能否測熱障涂層熱導率?能不能測高溫熱導率?測熱導率需要滿足什么尺寸要求?
  可以測。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(熱擴散測試)。
  2.尺寸小的樣品測試有誤差?
  樣品尺寸小,會影響數(shù)據(jù)結(jié)果;我們有直徑10mm,邊長10mm的夾具、標樣等,但是這種尺寸測出來的數(shù)據(jù)不如直徑12.7的準確,建議加工成標準的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,熱擴散實測值129,10*10mm的樣品,熱擴散實測值119,直徑12.7mm的樣品,熱擴散實測值114,而純銅的理論熱擴散在115-116左右,直徑12.7mm的樣品結(jié)果接近理論值;
  3.測試過程中,比熱、密度會不會造成誤差?測試熱導率時比熱會有變化嗎?變化大嗎?
  比熱是在測試過程中通過與石墨或其它材質(zhì)標樣比對得到的,會存在一定的誤差,要求比較高的客戶建議用DSC測試;密度建議客戶自己提供或者通過其他更準確的方法進行測試;比熱都會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.幾種測熱導的方法有什么區(qū)別?
  激光熱導適合做一些高導熱系數(shù)的,厚度方向的導熱系數(shù)測試;薄膜熱導適用于薄膜材料,測水平方向的導熱系數(shù);熱流法適用絕熱或低導熱系數(shù)的材料;

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