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激光導熱儀測量材料熱擴散系數的原理和方法

來源：時間：2025-03-21 14:16:11 瀏覽：2310次

激光導熱儀測量材料熱擴散系數的原理和方法

激光導熱儀（Laser Flash Analyzer，LFA）是一種基于激光閃射法原理設計的先進測試設備，廣泛應用于材料科學、汽車工業、航空航天、電子工程、化學工業及能源領域等多個行業。它通過向樣品表面發射短暫的激光脈沖實現瞬間加熱，并迅速捕捉由此引發的溫度變化，進而解析出材料的熱傳導性能。

一、基本原理

激光導熱儀的工作原理涉及向待測樣品的下表面迅速投射一束高強度的激光，使激光能量高效地轉化為熱能。通過對不同位置溫度數據的采集與分析，構建出樣品的溫度分布圖及其隨時間變化的曲線，進而精確計算出樣品的熱傳導系數、比熱容等關鍵物理特性。

激光閃射法原理

激光閃射法是一種瞬態導熱測試方法，通過激光源在瞬間發射一束光脈沖，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。在此過程中，使用紅外檢測器連續測量樣品上表面中心部位的相應溫升過程，得到溫度（檢測器信號）升高對時間的關系曲線。

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

導熱系數的計算

導熱系數λ是材料導熱性能的重要參數，它表示單位時間內通過單位面積、單位溫度梯度所傳遞的熱量。導熱系數λ可以通過公式λ=α×Cp×ρ計算得出，其中α為熱擴散系數，Cp為比熱容，ρ為密度。

在激光導熱儀測試中，熱擴散系數α可以直接通過測量得到，而比熱容Cp和密度ρ則需要通過其他方法獲取。比熱容Cp可以通過差示掃描量熱法（DSC）或藍寶石法等方法測量得到，密度ρ則通常在室溫條件下進行測量。

二、測量方法

激光導熱儀的測量方法主要包括樣品的選取與準備、測試參數的設置以及測試數據的處理與分析等步驟。

樣品的選取與準備

（1）樣品的選取

激光導熱儀特別適用于那些熱傳導性質呈現線性響應的樣品測試，如測定材料的熱傳導系數和導熱率等關鍵參數。因此，在實驗開展之前，需精心挑選具有不同材質、形狀、尺寸及厚度的樣品，并對這些樣品的特性以及實驗的具體需求進行全面的評估與分析。

（2）樣品的準備

為確保激光能夠均勻穿透樣品表面并深入其內部，需對樣品進行適當的預處理。這包括表面的拋光、清潔以及必要的磨削等步驟。此外，對于一般的樣品，還需進行表面涂覆處理，以增加樣品表面對光能的吸收比與紅外發射率。涂覆材料通常使用石墨，石墨涂層的厚度應適度，既能保證材料表面的均勻有效遮覆，同時又不能太厚，否則將影響測量結果的準確性。

對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，導致深層檢測現象的發生，因此需要對樣品進行特殊處理。一種常見的方法是對樣品表面進行噴碳處理，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。

測試參數的設置

在測試之前，需要根據樣品的特性和實驗的具體需求設置合適的測試參數。這些參數包括激光脈沖的能量、脈沖寬度、檢測器的靈敏度以及測試溫度等。其中，測試溫度的設置尤為重要，因為它會直接影響樣品的熱傳導性能和測量結果的準確性。通常，測試溫度需要在樣品的熱穩定溫度范圍內進行選擇，并盡量保持恒溫條件。

測試數據的處理與分析

在測試過程中，激光導熱儀會實時記錄樣品上表面中心部位的溫升過程，并生成溫度-時間關系曲線。通過對該曲線的分析，可以得到樣品的半升溫時間t50，進而計算出樣品的熱擴散系數α。同時，結合已知的比熱容Cp和密度ρ，可以進一步計算出樣品的導熱系數λ。

需要注意的是，在數據處理過程中，需要對實驗數據進行修正和校準。這包括對比熱容Cp和密度ρ的測量結果進行修正，以及對溫度-時間關系曲線進行平滑處理和噪聲濾除等步驟。這些修正和校準工作對于提高測量結果的準確性和可靠性至關重要。

三、應用與優勢

激光導熱儀作為一種先進的熱物性檢測設備，在材料科學、汽車工業、航空航天、電子工程、化學工業及能源領域等多個行業中得到了廣泛應用。其應用優勢主要體現在以下幾個方面：

測量范圍廣

激光導熱儀適用于絕大多數材料的導熱性能測試，包括固體、液體、粉末、薄膜、纖維等各種形態的樣品。同時，它還能夠測量高溫和高導熱系數材料的導熱性能，這對于一些特殊材料的研發和應用具有重要意義。

測量速度快

激光導熱儀采用瞬態測試方法，能夠在短時間內完成樣品的測試工作。這大大提高了測試效率，降低了測試成本，并有利于實現大規模自動化測試。