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激光脈沖法為什么不建議用來(lái)測(cè)低導(dǎo)熱材料?
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摘要:激光脈沖法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)可能并不適用于一些低導(dǎo)熱的材料,本文從測(cè)試原理等方面詳細(xì)介紹了到底為何不建議如此測(cè)量。 關(guān)鍵詞:穩(wěn)態(tài)熱流法;激光脈沖法;激光閃射法;導(dǎo)熱系數(shù);絕熱材料;隔熱材料;低導(dǎo)熱材料 簡(jiǎn)介: 測(cè)試材料的導(dǎo)熱系數(shù)的方法一般分為兩類,一類是穩(wěn)態(tài)法,主要包括護(hù)熱板法、 護(hù)熱板熱流計(jì)法等:另一類是非穩(wěn)態(tài)法,主要包括激光脈沖法、熱線法等。其中,對(duì)于穩(wěn)態(tài)護(hù)熱板法和激光脈沖法這兩種常用的方法來(lái)說(shuō),它們之間的關(guān)系可以說(shuō)是互補(bǔ)的。一般的情況下穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)的范圍在0.002~20 W/m•K,而非穩(wěn)態(tài)的激光脈沖法的范圍卻在0.1~2000W/m•K。 就像上面所說(shuō)的那樣這兩種方法都有各自的范圍,所以,在測(cè)某一些材料的時(shí)候,激光脈沖法就可能出現(xiàn)一些誤差了。比如,玻璃鋼類材料、 樹(shù)脂基類復(fù)合材料和陶瓷材料等,這些類型的材料的導(dǎo)熱系數(shù)比較低,屬于低導(dǎo)熱材料(約為0.1~1W/m•K之間),如果用激光脈沖法來(lái)測(cè)得到的結(jié)果往往可能會(huì)跟穩(wěn)態(tài)法測(cè)出的值存在有偏差。 為什么激光脈沖法測(cè)得的值會(huì)跟穩(wěn)態(tài)法的結(jié)果不一樣呢? 原因之一是因?yàn),一般的激光脈沖法測(cè)試設(shè)備,為了在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中減少傳導(dǎo)熱的損失,都會(huì)采用導(dǎo)熱系數(shù)較低的陶瓷材料(美信的設(shè)備耐馳LFA467采用的是氮化硅陶瓷),來(lái)作為測(cè)試設(shè)備的支架。但是,如果材料的導(dǎo)熱系數(shù)比陶瓷支架的導(dǎo)熱系數(shù)還要低,又或者說(shuō),材料的導(dǎo)熱系數(shù)與支架所選用的陶瓷材料很接近。此時(shí)測(cè)得的導(dǎo)熱系數(shù)的值,就很可能受陶瓷支架較大影響,這樣導(dǎo)致測(cè)量值比實(shí)際的值要大。 在進(jìn)行激光脈沖測(cè)試法的過(guò)程中,試樣要通過(guò)設(shè)備的激光脈沖加熱,經(jīng)過(guò)激光脈沖加熱后的試樣,背面的溫升迅速升高,而大部分的低導(dǎo)熱材料,因其導(dǎo)熱系數(shù)較低,最大的溫升在1 ~ 5℃之間,要令其達(dá)到可探測(cè)的幅度是很困難的(只有達(dá)到了可探測(cè)的范圍,設(shè)備才能進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集)。通常情況下,面對(duì)這種問(wèn)題有兩種解決方法。一種是采用很薄的試樣,另一種是提高脈沖的功率。但是,兩種處理的方式都可能會(huì)導(dǎo)致低導(dǎo)熱材料的測(cè)量值產(chǎn)生誤差。低導(dǎo)熱材料的密度一般都比較小,并且大多數(shù)是復(fù)合材料。而第一種方法中把試樣制得很薄,會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的結(jié)果離散性較大,測(cè)出的結(jié)果代表性不強(qiáng)。而運(yùn)用第二種方法,高功率的激光脈沖會(huì)產(chǎn)生大量的熱,在一些低導(dǎo)熱的材料分解溫度和熔點(diǎn)都不高的情況下,使用高功率的激光脈沖可能會(huì)導(dǎo)致試樣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或分解反應(yīng),所測(cè)得的導(dǎo)熱系數(shù)也不是材料真正的導(dǎo)熱系數(shù)。 另外,低導(dǎo)熱材料的密度一般比較小,容易有細(xì)小的孔洞或孔隙。如果要求在真空中測(cè)量這個(gè)材料,這些空隙將會(huì)極大的改變?cè)嚇拥膫鳠岱绞,?duì)流傳熱的方式基本消失,測(cè)得的熱導(dǎo)率可能會(huì)比常壓大氣環(huán)境的測(cè)量值要小。 小結(jié): 綜上所述,低導(dǎo)熱的材料一般是不建議用激光脈沖法來(lái)進(jìn)行測(cè)試的。如果要測(cè)低導(dǎo)熱的材料的導(dǎo)熱系數(shù),建議使用穩(wěn)態(tài)的測(cè)試方法,穩(wěn)態(tài)熱流法比激光脈沖法更適用于低導(dǎo)熱的材料。 |
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