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激光導(dǎo)熱儀測(cè)量材料熱擴(kuò)散系數(shù)的原理和方法

來(lái)源：時(shí)間：2025-03-21 14:16:11 瀏覽：4683次

激光導(dǎo)熱儀測(cè)量材料熱擴(kuò)散系數(shù)的原理和方法

激光導(dǎo)熱儀（Laser Flash Analyzer，LFA）是一種基于激光閃射法原理設(shè)計(jì)的先進(jìn)測(cè)試設(shè)備，廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、汽車工業(yè)、航空航天、電子工程、化學(xué)工業(yè)及能源領(lǐng)域等多個(gè)行業(yè)。它通過(guò)向樣品表面發(fā)射短暫的激光脈沖實(shí)現(xiàn)瞬間加熱，并迅速捕捉由此引發(fā)的溫度變化，進(jìn)而解析出材料的熱傳導(dǎo)性能。

一、基本原理

激光導(dǎo)熱儀的工作原理涉及向待測(cè)樣品的下表面迅速投射一束高強(qiáng)度的激光，使激光能量高效地轉(zhuǎn)化為熱能。通過(guò)對(duì)不同位置溫度數(shù)據(jù)的采集與分析，構(gòu)建出樣品的溫度分布圖及其隨時(shí)間變化的曲線，進(jìn)而精確計(jì)算出樣品的熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容等關(guān)鍵物理特性。

激光閃射法原理

激光閃射法是一種瞬態(tài)導(dǎo)熱測(cè)試方法，通過(guò)激光源在瞬間發(fā)射一束光脈沖，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。在此過(guò)程中，使用紅外檢測(cè)器連續(xù)測(cè)量樣品上表面中心部位的相應(yīng)溫升過(guò)程，得到溫度（檢測(cè)器信號(hào)）升高對(duì)時(shí)間的關(guān)系曲線。

根據(jù)溫度-時(shí)間關(guān)系曲線，可以計(jì)算出樣品的半升溫時(shí)間t50，即在接受光脈沖照射后樣品上表面溫度（檢測(cè)器信號(hào)）升高到最大值的一半所需的時(shí)間，或稱t1/2。由公式α=0.1388×d2/t50（d為樣品的厚度）即可得到樣品在設(shè)定溫度T下的熱擴(kuò)散系數(shù)α。

導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算

導(dǎo)熱系數(shù)λ是材料導(dǎo)熱性能的重要參數(shù)，它表示單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積、單位溫度梯度所傳遞的熱量。導(dǎo)熱系數(shù)λ可以通過(guò)公式λ=α×Cp×ρ計(jì)算得出，其中α為熱擴(kuò)散系數(shù)，Cp為比熱容，ρ為密度。

在激光導(dǎo)熱儀測(cè)試中，熱擴(kuò)散系數(shù)α可以直接通過(guò)測(cè)量得到，而比熱容Cp和密度ρ則需要通過(guò)其他方法獲取。比熱容Cp可以通過(guò)差示掃描量熱法（DSC）或藍(lán)寶石法等方法測(cè)量得到，密度ρ則通常在室溫條件下進(jìn)行測(cè)量。

二、測(cè)量方法

激光導(dǎo)熱儀的測(cè)量方法主要包括樣品的選取與準(zhǔn)備、測(cè)試參數(shù)的設(shè)置以及測(cè)試數(shù)據(jù)的處理與分析等步驟。

樣品的選取與準(zhǔn)備

（1）樣品的選取

激光導(dǎo)熱儀特別適用于那些熱傳導(dǎo)性質(zhì)呈現(xiàn)線性響應(yīng)的樣品測(cè)試，如測(cè)定材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)和導(dǎo)熱率等關(guān)鍵參數(shù)。因此，在實(shí)驗(yàn)開展之前，需精心挑選具有不同材質(zhì)、形狀、尺寸及厚度的樣品，并對(duì)這些樣品的特性以及實(shí)驗(yàn)的具體需求進(jìn)行全面的評(píng)估與分析。

（2）樣品的準(zhǔn)備

為確保激光能夠均勻穿透樣品表面并深入其內(nèi)部，需對(duì)樣品進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理。這包括表面的拋光、清潔以及必要的磨削等步驟。此外，對(duì)于一般的樣品，還需進(jìn)行表面涂覆處理，以增加樣品表面對(duì)光能的吸收比與紅外發(fā)射率。涂覆材料通常使用石墨，石墨涂層的厚度應(yīng)適度，既能保證材料表面的均勻有效遮覆，同時(shí)又不能太厚，否則將影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

對(duì)于透明或半透明樣品，由于光能可能穿透樣品并在深層吸收，導(dǎo)致深層檢測(cè)現(xiàn)象的發(fā)生，因此需要對(duì)樣品進(jìn)行特殊處理。一種常見的方法是對(duì)樣品表面進(jìn)行噴碳處理，以阻擋光能的透射。另外，若石墨涂層不足以有效阻擋光透射，還可考慮將樣品表面鍍金。

測(cè)試參數(shù)的設(shè)置

在測(cè)試之前，需要根據(jù)樣品的特性和實(shí)驗(yàn)的具體需求設(shè)置合適的測(cè)試參數(shù)。這些參數(shù)包括激光脈沖的能量、脈沖寬度、檢測(cè)器的靈敏度以及測(cè)試溫度等。其中，測(cè)試溫度的設(shè)置尤為重要，因?yàn)樗鼤?huì)直接影響樣品的熱傳導(dǎo)性能和測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。通常，測(cè)試溫度需要在樣品的熱穩(wěn)定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行選擇，并盡量保持恒溫條件。

測(cè)試數(shù)據(jù)的處理與分析

在測(cè)試過(guò)程中，激光導(dǎo)熱儀會(huì)實(shí)時(shí)記錄樣品上表面中心部位的溫升過(guò)程，并生成溫度-時(shí)間關(guān)系曲線。通過(guò)對(duì)該曲線的分析，可以得到樣品的半升溫時(shí)間t50，進(jìn)而計(jì)算出樣品的熱擴(kuò)散系數(shù)α。同時(shí)，結(jié)合已知的比熱容Cp和密度ρ，可以進(jìn)一步計(jì)算出樣品的導(dǎo)熱系數(shù)λ。

需要注意的是，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正和校準(zhǔn)。這包括對(duì)比熱容Cp和密度ρ的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，以及對(duì)溫度-時(shí)間關(guān)系曲線進(jìn)行平滑處理和噪聲濾除等步驟。這些修正和校準(zhǔn)工作對(duì)于提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性至關(guān)重要。

三、應(yīng)用與優(yōu)勢(shì)

激光導(dǎo)熱儀作為一種先進(jìn)的熱物性檢測(cè)設(shè)備，在材料科學(xué)、汽車工業(yè)、航空航天、電子工程、化學(xué)工業(yè)及能源領(lǐng)域等多個(gè)行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

測(cè)量范圍廣

激光導(dǎo)熱儀適用于絕大多數(shù)材料的導(dǎo)熱性能測(cè)試，包括固體、液體、粉末、薄膜、纖維等各種形態(tài)的樣品。同時(shí)，它還能夠測(cè)量高溫和高導(dǎo)熱系數(shù)材料的導(dǎo)熱性能，這對(duì)于一些特殊材料的研發(fā)和應(yīng)用具有重要意義。

測(cè)量速度快

激光導(dǎo)熱儀采用瞬態(tài)測(cè)試方法，能夠在短時(shí)間內(nèi)完成樣品的測(cè)試工作。這大大提高了測(cè)試效率，降低了測(cè)試成本，并有利于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模自動(dòng)化測(cè)試。

測(cè)量精度高

激光導(dǎo)熱儀采用先進(jìn)的激光技術(shù)和紅外檢測(cè)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)樣品溫度變化的精確測(cè)量和分析。同時(shí)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的修正和校準(zhǔn)，可以進(jìn)一步提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

操作簡(jiǎn)便

激光導(dǎo)熱儀的操作界面簡(jiǎn)單直觀，易于學(xué)習(xí)和掌握。同時(shí)，它還具有自動(dòng)校準(zhǔn)和故障診斷等功能，能夠大大降低操作難度和維護(hù)成本。

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