耐驰LFA427激光导热仪-原理与测试

闪光导热仪LFA原理与测试一、概述材料的导热性能测试方法众多，大体可分为稳态法与瞬态法两大类。其中稳态法（包括热流法、保护热流法、热板法等）根据Fourier方程直接测量导热系数，但温度范围与导热系数范围较窄，主要适用于在中等温度下测量中低导热系数材料。瞬态法则应用范围较为宽广，尤其适合于高导热系数材料以及高温下的测试，其中发展最快、最具代表性、得到国际热物理学界普遍承认的方法是闪光法（FlashMethod，有时也称为激光法，激光闪射法）。闪光法所要求的样品尺寸较小，测量范围宽广，可测量除绝热材料以外的绝大部分材料，特别适合于中高导热系数材料的测量。除常规的固体片状材料测试外，通过使用合适的夹具或样品容器并选用合适的热学计算模型，还可测量诸如液体、粉末、纤维、薄膜、熔融金属、基体上的涂层、多层复合材料、各向异性材料等特殊样品的热传导性能。闪光法相关测量标准：ASTME­1461：StandardTestMethodforThermalDiffusivityofSolidsbytheFlashMethodDINEN821DIN30905二、原理闪光法直接测量的是材料的热扩散系数，其基本原理示意如下：图中在一定的设定温度T（由炉体控制的恒温条件）下，由激光源或闪光氙灯在瞬间发射一束光脉冲，均匀照射在样品下表面，使其表层吸收光能后温度瞬时升高，并作为热端将能量以一维热传导方式向冷端（上表面）传播。使用红外检测器连续测量样品上表面中心部位的相应温升过程，得到类似于下图的温度（检测器信号）升高对时间的关系曲线：在理想情况下，光脉冲宽度接近于无限小，热量在样品内部的传导过程为理想的由下表面至上表面的一维传热、不存在横向热流，外部测量环境则为理想的绝热条件、不存在热损耗（此时样品上表面温度升高至图中的顶点后将保持恒定的水平线），则通过计量图中所示的半升温时间t50（定义为在接受光脉冲照射后样品上表面温度（检测器信号）升高到最大值的一半所需的时间，或称t1/2），由下式：α=0.1388*d2/t50（d:样品的厚度）即可得到样品在温度T下的热扩散系数α。对于实际测量过程中对理想条件的任何偏离（如边界热损耗、样品表面与径向的辐射散热、边界条件或非均匀照射导致的径向热流、样品透明／半透明而表面涂覆不够致密导致的部分光能量透射或深层吸收、t50很短导致光脉冲宽度不可忽略等），需使用适当的数学模型进行计算修正。由于导热系数（热导率）与热扩散系数存在着如下的换算关系：λ(T)=α(T)*Cp(T)*ρ(T)在已知温度T下的热扩散系数α、比热Cp与密度ρ的情况下便可计算得到导热系数。其中密度一般在室温下测量，其随温度的变化可使用材料的线膨胀系数表进行修正（同时修正样品厚度随温度的变化），在测量温度不太高、样品尺寸变化不太大的情况下也可近似认为不变。比热可使用文献值、可使用差示扫描量热法（DSC）等其他方法测量，也可在闪光法仪器中使用比较法与热扩散系数同时测量得到。对于比较法的原理简述如下：使用一个与样品面积（或至少由遮光片等控制的实际检测面积）相同、厚度（或至少上表面距检测器距离）相同、表面结构（光滑程度）相同、热物性相近且比热值已知的参比标样（以下简写为std），与待测样品（以下简写为sam）同时进行表面涂覆（确保与样品具有相同的光能吸收比与红外发射率），并依次进行测量，在理想的绝热条件下，得到如下的两条测试曲线：此时根据比热定义：Cp=Q/△T*m（Q：样品吸收的能量；△T：样品吸收能量后的温升；m：样品质量）则：Cpsam/Cpstd=(Qsam/△Tsam*msam)/（Qstd/△Tstd*mstd）在样品与标样检测面积（对于LFA447取决于遮光片孔径）相同的前提下，若下表面受照光强度（取决于光源稳定性）均匀一致、吸收比（取决于有效表面积（光洁度）与颜色（可由涂覆控制））相同，则Qsam=Qstd；若上表面红外发射率（取决于环境温度稳定性、有效表面积（光洁度）与颜色（可由涂覆控制））及距检测器距离（通常取决于厚度）相同，则△T与△U的换算因子固定，可将上式中的△T用检测器信号差值△U代替，由此上式可转换为：Cpsam/Cpstd=（△Ustd*mstd）／（△Usam*msam）其中Cpstd、mstd、msam均为已知，△U（△T）在理想绝热条件下为不随时间而变的确定值，可由上图的曲线水平段直接读到。则：Cpsam＝Cpstd*（△Ustd*mstd）／（△Usam*msam）需要指出的是，一般实际的测试条件均偏离绝热条件，样品受照射后在升温过程中即同时伴随着热损耗，由此非但△T（△U）在达到最大值后不能保持水平稳定，即使是△T～t实测曲线上的最高点△Tmeas亦与绝热条件下的△Tadiabatic有一定偏差。如下图所示：因此在进行比热计算前，需对△Tmeas进行热损耗修正，使用修正后的△Tcorr进行比热计算。（该修正在NetzschLFAProteus软件中已包含在热扩散系数计算步骤中）另外，若对标样与样品测试所使用的光脉冲能量不同，需在上面的计算式的Q一项中引入标样曲线待测样品曲线相应的比例系数；若信号放大倍数不同还须在△U一项中引入比例系数，此为具体技术枝节，相应换算由软件自动完成，此处不再赘述。三、测试尽管闪光导热仪LFA的热扩散系数与比热测试可在同一次测试中完成，但从技术层面我们不妨将其作为两种类型的测试分别加以研究。热扩散系数测试要点（其中红色字体的为特别应该注意的地方）：1.样品须为端面平行而光滑的片状固体材料，内部材质均匀。2.选择合适的样品形状与尺寸。可选形状一般包括圆片与方片，相对而言圆形样品较为标准，水平各方向上边界条件一致，径向热流较均匀，较易修正。样品直径（边长）不宜太小，越小越偏离无限平面、一维传热的理想情况，边界条件的影响将增大。但尺寸选择同时也应考虑现有样品托盘尺寸、加工条件等其他因素。3.根据不同的样品材料选择合适的样品厚度。一般的建议值如下：高导热材料，热扩散系数50mm2/s（如金属单质、石墨、部分高导热陶瓷等）：建议厚度2～4mm。中等导热材料，热扩散系数在1～50mm2/s之间（如大部分陶瓷、合金等）：建议厚度1～2mm。低导热系数，热扩散系数1mm2/s（如塑料、橡胶、玻璃等）：建议厚度0.1～1mm。以上各范围只是个大致值，掌握其总体原则（高导热样品制的厚一些，低导热样品制得薄一些）即可，不必恪守其具体范围值。其原则为使光能的透过时间（或t50）保持在一个合理的范围，因透过时间太长（如低导热材料制样太厚），过程中热损耗严重，将影响实验精度；透过时间太短（如高导热材料制样太薄），表面石墨涂覆层的影响将增大，所测热扩散系数可能偏低，若t50小至接近于仪器的采样时钟频率的数量级，t50的数据精度将降低，进而将影响热扩散系数的测试精度。另根据热扩散系数计算公式α=0.1388*d2/t50，厚度值准确与否对热扩散系数计算精度影响极大（平方级关系），因此样品端面必须平行（厚度均匀一致），且必须使用千分尺进行精确测量，保证厚度数据的可靠性。4.表面涂覆除了少数深色不透明、表面色泽均匀、反射率低的样品外，对于一般的样品均需进行表面涂覆，涂覆材料通常使用石墨，目的是增加样品表面对光能的吸收比与红外发射率，且对透明／半透明样品使光能仅在表层吸收并进行表层检测，避免透射／深层吸收／深层检测现象。石墨涂层的厚度应适度，既能保证材料表面的均匀有效遮覆，同时又不能太厚，否则最终样品将类似于石墨­样品­石墨的三层复合材料，尤其在样品本身较薄、热扩散系数又较高的情况下，石墨层与界面层的热阻不可忽略，将导致测得的热扩散系数偏低。另对于高透明度的样品，若石墨涂层不足以有效阻挡光透射，可考虑将样品表面镀金。但镀金后的样品仍需喷涂石墨，以提高光能的吸收比与吸收均匀性。5.遮光片样品放入托盘后，上方需放置配套的遮光片，其孔径应比样品直径为小，以屏蔽样品边界（偏离理想一维传热）与托盘本身的传热信号，使检测器仅检测到样品中心区域（接近一维传热）的温升。6.测试参数设定（LFA447）对于LFA447，一次测试的总采样点数为2000点，其中baseline（基线）的采样点数建议设为300点，以使分析软件能够使用linear类型基线拟合出由于环境温度不够稳定造成的检测信号的“基线漂移”并加以扣除；duration（采样时间）应控制在使脉冲线之后的曲线总长度为t50的10～15倍左右，若太短，软件用于进行热损耗计算的信息量不够；若太长，包含关键信息的曲线部分点数变“稀”，将影响计算精度。另调节合适的放大器增益，使曲线最高点（△U）在1V～10V之间（信号超出10V将溢出，低于1V则信号太弱）。如下图所示：7.计算模型的选择一般选Cowan+脉冲修正进行热损耗修正，在较高温度（如800℃以上）、样品较厚情况下应选Cape­Lehman+脉冲修正以对径向辐射热损耗进行附加修正，对于透明／半透明样品若涂覆不够致密、存在透射或深层吸收现象，在脉冲照射后样品起始升温的区域存在基线的“跃迁”（温度的突升），应选择辐射模型+脉冲修正：“绝热模型”不进行热损耗修正，一般不建议使用。热扩散系数测试精度：对于固体片状材料的闪光法测试，ASTME­1461中提出的热扩散系数精度为±5%。NetzschLFA系列仪器一般热扩散系数精度为±3%，在制样与实验条件理想的情况下事实上能达到更高。比热测试要点（其中红色字体的为特别应该注意的地方）：1.样品与参比的表面形状、面积大小建议相同，并使用同一规格的样品托盘。2.样品与参比必须使用同一规格（内径）的遮光片，以保证红外发射（实际检测）面积的一致。3.样品与参比的表面结构（光滑程度）须尽量一致，以进一步保证实际吸收面积和发射面积的一致性。（通常样品与参比的上下表面均应尽量光滑，若样品表面起伏或多孔，实际的表面积远大于表观面积，通常很难找到表面状态完全相同的参比物，因此一般不适合用LFA进行比热测试。）4.样品与参比的厚度（或至少上表面距检测器距离）应尽量接近甚至相同。（两者的上表面与红外检测器距离保持相同，可避免由于距离差异造成的红外检测器实际检测到的辐射强度的差异）5.如果可能，使用与样品热物性（热扩散系数、热容Cp*m等）相近的标样。6.对样品与参比同时进行石墨涂覆，保证表面吸收率与发射率的严格一致，避免不同色泽样品光吸收、光辐射能力不一造成的影响。7.对同一批样品只需测试一次标样，但标样测试与样品测试应尽量在同一天内连续完成。如果隔天有另一批样品需要测试，为保证测试精度不建议再使用前面的标样数据，应将标样的石墨涂层使用酒精擦去、再与样品放在一起同时涂覆后重新测试。比热测试精度：闪光法的比热测试历来是这类仪器技术上的难点，其影响因素远较热扩散系数测试为多，在ASTM标准中只提出了测试方法而未作任何的准确性要求。在满足上述几点测试要求的情况下，NetzschLFA系列仪器的比热测试重现性（同一次涂覆）为±3%，准确性（取决于标样合适程度与涂覆质量）为±5%。事实上，在样品理想、标样合适的情况下，闪光法比热测试的主要操作难点（也是最大的误差因素）是如何保证表面涂覆的稳定性，既不能太厚（以免对高导热材料降低热扩散系数），又要充分均匀遮覆，并保证标样与各样品在涂层质量上的一致性，由于现有石墨喷覆是使用喷罐手动进行，其中确实存在一定的经验性。若涂层稳定性能够保证，比热测试精度（也是仪器软硬件性能本身所能达到的精度）事实上能更高。导热系数精度：对于闪光法测试，导热系数是一个计算值，其误差取决于热扩散系数、比热与密度三方面测试误差的交互影响与叠加，作具体讨论并无意义。NetzschLFA系列仪器的导热系数误差一般定义为±5%～7%，其主要误差来源于比热测试。若希望得到精度更高的导热系数数据，可考虑使用差示扫描量热仪DSC（NetzschDSC系列仪器比热精度一般能达到±2.5%）、或更专门的其他比热测试方法（如稳态绝热法）来进行比热测试，在此不再赘述。测试实例1：上图为使用3mm石墨作标样，对某一B