主题:【原创】导热材料热扩散系数闪光法测量中的样品厚度选择

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摘要:本文主要针对各向同性、有限尺寸、高导热材料样品因闪光加热所引起的非一维传热过程,建立与实际测试更接近的传热模型,采用数值计算方法分析闪光法测试中的背温曲线测量误差,由此明确闪光光斑尺寸、样品截面积和样品厚度三者关系以及它们对测量误差的影响,从而指导试验参数和样品尺寸的正确选择,其中更侧重于样品厚度对测量误差的影响以及样品厚度的正确选择。


1.  引言

对于高导热材料,如各种金属材料和高导热陶瓷材料,它们的热性能普遍采用闪光法进行测量,特别是热性能中的热扩散系数测试更是闪光法的最大优势,因为闪光法可以在短时间内使用最低样品材料消耗成本实现热扩散系数测量,而且闪光法也是目前热性能测试温度范围跨度最大的测试方法之一,测试温度范围可从低温-190℃至超高温3000℃,同时还可以在各种气氛和压力环境下进行测试。
闪光法的基本原理是脉冲光照射被测样品前表面,样品前表面薄层上吸收脉冲光辐照能量,探测器同时记录热量传递到样品背面所引起的温度随时间的变化。实验结果表明该方法能得到热扩散系数和比热容,而导热系数可以通过下式计算得到:

...................(1)

...........................(2)

.................................(3)


式中α 表示热扩散系数,单位 L 表示样品厚度,单位 m 表示样品背面温升达到最大值值所需时间的一半,单位 s; c 表示比热容,单位 Q 表示样品所吸收的热流密度,单位 表示样品背面温升最大值,单位 Kλ 表示样品材料导热系数,单位 ρ 代表样品密度,单位

对公式(1)~(3)的分析表明,闪光法测定热性能的误差主要取决于背温曲线中 的准确度。然而, 到目前为止很少有文献报道准确评估材料热特性闪光法测试误差大小,这主要是因为大多数文献报道都是假设样品中的传热过程以及样品局部位置上的热流密度是一维形式,而实际测试中往往不是如此。
本文主要针对各向同性、有限尺寸、高导热材料样品因闪光加热所引起的非一维传热过程,建立与实际测试更接近的测试模型,采用数值计算方法分析闪光法测试中的 和 测量误差,由此明确闪光光斑尺寸、样品截面积和样品厚度三者关系以及它们对测量误差的影响,从而指导试验参数和样品尺寸的正确选择。目前闪光法测试仪器基本都是商品化设备,闪光光斑尺寸和样品截面积尺寸基本都已固定,所以本文将侧重于研究各向同性高导热材料闪光法热扩散系数测量中厚度选择对测量误差的影响,以此来指导样品厚度的正确选择。
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