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    Hotdisk熱常數(shù)分析儀的 基本原理和應(yīng)用
    來源:測試GO 時(shí)間:2021-01-21 16:35:42 瀏覽:11608次

    1簡介

    熱常數(shù)分析儀主要用于物質(zhì)熱物性參數(shù)的測試和表征。物質(zhì)的熱物性參數(shù)主要包括導(dǎo)熱系數(shù)比熱、熱擴(kuò)散系數(shù)等,其中最能表征物質(zhì)的導(dǎo)熱性能的是導(dǎo)熱系數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)的表征有多種方法,熱流法、熱線法、瞬態(tài)平面熱板法等。

    瞬態(tài)平面熱板法由于測試簡便、精確而廣泛應(yīng)用于化工、能源、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、軍事、航天、汽車、電子等領(lǐng)域。瞬態(tài)平面熱板法又稱為TPS法,改善了傳統(tǒng)方法測試的不足,提高了測試導(dǎo)熱性能的精確度。運(yùn)用此法設(shè)計(jì)制造的儀器被稱為Hotdisk熱常數(shù)分析儀,是當(dāng)前測試導(dǎo)熱系數(shù)的主要儀器。

    圖1TPS2500S型熱常數(shù)分析儀

    圖1

    2發(fā)展歷史

    2.1導(dǎo)熱系數(shù)測試方法的演化

    導(dǎo)熱系數(shù)的測試主要有穩(wěn)態(tài)法非穩(wěn)態(tài)法。最早出現(xiàn)的是穩(wěn)態(tài)法。常見的穩(wěn)態(tài)法有熱流計(jì)法和防護(hù)熱板法。熱流計(jì)法,將熱流傳感器放置于樣品和冷板間,測量通過樣品的熱流,進(jìn)而測試樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。防護(hù)熱板法[1]的測試和熱流法類似,測試時(shí)將兩塊樣品交替放置于冷板和熱板之間,熱量從中心板傳遞到內(nèi)防護(hù)板,垂直穿過試樣到達(dá)冷板,此時(shí)外防護(hù)板溫度顯示冷板和熱板的平均溫度,降低了樣品邊緣熱交換,形成一維垂直熱流,進(jìn)而測試得到導(dǎo)熱系數(shù)。

    圖2熱流計(jì)法測試導(dǎo)熱系數(shù)原理示意圖

    圖2

    圖3防護(hù)熱板法導(dǎo)熱系數(shù)測試原理示意圖[2]

    圖3

    穩(wěn)態(tài)法的測試特點(diǎn)[3]是保持被測物質(zhì)溫度梯度不變,形成穩(wěn)態(tài)傳熱,通過傅立葉定律得到被測物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)。剛開始穩(wěn)態(tài)法主要用于測試導(dǎo)熱系數(shù)低的物質(zhì),隨著高導(dǎo)熱材料的需求越來越大,高導(dǎo)熱材料很難保持溫度梯度不變,穩(wěn)態(tài)法不能滿足高導(dǎo)熱物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的測試,加上穩(wěn)態(tài)法中穩(wěn)態(tài)溫度場達(dá)到的時(shí)間長、穩(wěn)態(tài)法測試效率低,對被測物質(zhì)的尺寸較為嚴(yán)格,非穩(wěn)態(tài)法便產(chǎn)生了。

    非穩(wěn)態(tài)法又稱為瞬態(tài)法,主要包括熱線法、熱帶法、瞬態(tài)平面熱板法、激光閃射法等。

    1960年代最早出現(xiàn)了熱線法。熱線法控制樣品溫度的同時(shí),將恒定功率的線狀導(dǎo)電體放置于兩塊樣品的平面間,通過測量兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度變化來計(jì)算樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。熱線法主要用于測試蓬松物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù),如粉末。對于液體和固體的導(dǎo)熱系數(shù),熱線法測試誤差較大,接觸熱阻的影響較大。

    圖4熱線法導(dǎo)熱系數(shù)測試原理及電路鏈接示意圖[2]

    圖4

    在熱線法的基礎(chǔ)上,1970年代發(fā)展了熱帶法。熱帶法測試原理和熱線法測試原理相同,不同的是將線狀的熱源改變成了帶狀的熱源,從而增加熱源和物質(zhì)的接觸,降低接觸熱阻的影響。

    1980年代,激光閃射法也開始發(fā)展。激光閃射法主要依靠激光源或閃光氙燈瞬間發(fā)射脈沖光束作為熱源,照在樣品表面,利用紅外檢測器檢測熱信號,從而分析得到熱擴(kuò)散系數(shù)。激光導(dǎo)熱法直接得到的是熱擴(kuò)散系數(shù),后期通過擴(kuò)散系數(shù)和密度、比熱計(jì)算可以得到導(dǎo)熱系數(shù)。

    圖5激光法測試熱擴(kuò)散系數(shù)原理示意圖

    圖5

    同期,經(jīng)過熱線法和熱帶法的發(fā)展,形成了一種新的測試方法,瞬態(tài)平面熱板法,也稱作瞬態(tài)平面熱源法和Hotdisk法。瞬態(tài)平面熱源法不同于熱線法和熱帶法,將直熱源變成彎曲的熱源,形成平面熱源,小空間里獲得大的接觸面積,同時(shí)采用數(shù)學(xué)模型模擬傳熱過程。Hotdisk熱常數(shù)分析儀就是基于瞬態(tài)平面熱源法研制而成。

    2.2導(dǎo)熱系數(shù)測試儀器的發(fā)展

    最早出現(xiàn)的是基于穩(wěn)態(tài)法研制的導(dǎo)熱儀,防護(hù)熱板法導(dǎo)熱儀熱流法導(dǎo)熱系數(shù)測試儀。熱流法導(dǎo)熱系數(shù)測試儀:導(dǎo)熱系數(shù)準(zhǔn)確度為±3%,溫度范圍最高到90℃,導(dǎo)熱系數(shù)測量范圍0~2.5W/(mk),對樣品要求嚴(yán)格。儀器型號主要有林賽斯LinseisHFM600、LinseisHFM300、LinseisHFM300;耐馳HFM446、TCA300、TCA500。LinseisHFM要求樣品必須是直徑和厚度固定的圓柱,對于一般樣品很難達(dá)到。

    圖6耐馳TCA300型熱流法導(dǎo)熱儀

    圖6

    防護(hù)熱板法導(dǎo)熱儀:導(dǎo)熱系數(shù)準(zhǔn)確度±2%,溫度范圍最高到600℃,導(dǎo)熱系數(shù)測量范圍0~2W/(mk),樣品尺寸固定。測試時(shí)間長。儀器型號主要有德國耐馳GHP456、GHP500、GHP500HT、GHP800/900等。

    圖7耐馳GHP456型防護(hù)熱板法導(dǎo)熱儀

    圖7

    穩(wěn)態(tài)法測由于測試時(shí)間長、對樣品要求嚴(yán)格,為了改善測試的不足,非穩(wěn)態(tài)法導(dǎo)熱儀開始出現(xiàn)。

    激光導(dǎo)熱儀:該儀器直接得到的是熱擴(kuò)散系數(shù),測試結(jié)果需要和比熱、密度換算求得導(dǎo)熱系數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)準(zhǔn)確度為±10%,溫度范圍最高到1600℃,有的儀器甚至可以達(dá)到2800℃,導(dǎo)熱系數(shù)測量范圍0.1~2000W/(mk),樣品尺寸固定。激光導(dǎo)熱儀對于樣品尺寸是嚴(yán)格要求的,只能是直徑固定的圓片,厚度大于6mm。儀器型號主要有德國林賽斯LinseisLFA1000/2000/500、德國耐馳NetzschLFA467/457/427/467HT、NetzschNanoTR/PicoTR;國產(chǎn)柯銳歐CLA等。

    圖8耐馳LAF457型激光導(dǎo)熱儀

    圖8

    Hotdisk熱常數(shù)分析儀:可以直接得到導(dǎo)熱系數(shù),還可以得到比熱和熱擴(kuò)散系數(shù),測試簡便快捷,被廣泛應(yīng)用。該儀器對樣品尺寸要求簡單,可以測試固體、液體、粉末等。導(dǎo)熱系數(shù)準(zhǔn)確度為±3%,測試溫度最高到1000℃,導(dǎo)熱系數(shù)測量范圍0.005-1800W/(mk)。儀器型號主要有瑞典凱戈納斯公司的TPS2500S、TPS3500、TPS2200。

    3原理與特點(diǎn)

    TPS2500S為例介紹Hotdisk熱常數(shù)分析儀的原理和特點(diǎn)。

    3.1原理介紹

    Hotdisk熱常數(shù)分析儀基于瞬態(tài)平面熱源法而設(shè)計(jì)。瞬態(tài)平面熱源法,簡稱TPS法,是目前使用最廣泛、最簡便、最精確的導(dǎo)熱系數(shù)測試方法。通過瞬態(tài)平面熱源法可以直接測得材料的導(dǎo)熱系數(shù),也可以得出材料的熱擴(kuò)散系數(shù)和體積熱容等參數(shù)。瞬態(tài)平面熱源法利用螺旋狀的熱源進(jìn)行熱物性參數(shù)的測量。Hotdisk熱常數(shù)分析儀測試參考標(biāo)準(zhǔn)ISO22007-2。

    3.2測試示意圖

    Hotdisk熱常數(shù)分析儀測試固體時(shí),將探頭放在兩片樣品中間,此時(shí),探頭既是熱源也是溫度傳感器[4]。對探頭設(shè)置一個(gè)恒定的加熱功率,利用樣品對探頭表面溫度響應(yīng)的影響,通過儀器軟件記錄探頭溫度值,并分析處理數(shù)據(jù),便可以得到樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。固體測試示意圖如圖9。Hotdisk也可以用于測試粉末和液體。當(dāng)測試粉末時(shí),需將粉末鋪滿容器并覆蓋探頭,容器示意圖如圖10,測試示意圖如圖11。當(dāng)測試液體時(shí),探頭平放于液體樣品中,測試示意圖如圖12。

    圖9固體測試示意圖

    圖10粉末樣品容器圖

    圖9

    探頭功率恒定時(shí),電阻和時(shí)間的關(guān)系為

    公式(1)

    公式(1)中:R0—探頭初始電阻,單位;

    t—測試時(shí)間,單位s;

    K—電阻溫度系數(shù),1/K;

    ΔT—探頭表面溫度差,單位K;

    ΔT的定義式為

    公式(2)

    3.3導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算原理[4][5]

    公式(2)中:P0恒定功率,單位W

    r—探頭半徑,單位mm;

    λ—樣品導(dǎo)熱系數(shù),單位W/(mK);

    D(t0)—特征時(shí)間t0的函數(shù);

    t0定義為

    公式(3

    公式(3)中:a—樣品的熱擴(kuò)散系數(shù),單位mm2/s;

    t—測試時(shí)間,單位s

    r—探頭半徑,單位mm;

    實(shí)驗(yàn)過程中,記錄探頭溫度差ΔT,并和D(t0)擬合,會得到一

    條直線,通過分析直線的斜率可以求得導(dǎo)熱系數(shù)λ。

    4儀器介紹[6]

    Hotdisk熱常數(shù)分析儀主要型號是TPS2500S,該儀器主要由樣品支架、測量探頭、測量裝置、計(jì)算裝置、電腦主機(jī)、分析軟件組成。

    樣品支架室溫支架,主要用于室溫下樣品導(dǎo)熱系數(shù)的測試,主要包括樣品支架、傳感器支架(不銹鋼材質(zhì))、不銹鋼蓋。樣品架可以放置樣品高4cm,直徑7cm。高溫支架,主要用于高溫下樣品導(dǎo)熱系數(shù)的測試,包括樣品支架和不銹鋼樣品支架,樣品架可以放置樣品高3cm,直徑5cm。

    4.1儀器組成

    圖13室溫支架[6]

    圖14高溫支架[6]

    圖10

    測量探頭Hotdisk的探頭是由金屬薄片刻蝕而成。因?yàn)殒嚱饘匐娮铚囟认禂?shù)高,通常使用鎳金屬并將其制作成雙螺旋狀,形成平面熱源。Hotdisk探頭尺寸一般在2~29.40mm之間,可以滿足樣品尺寸的多樣性。測試時(shí),要求樣品的尺寸大于探頭尺寸。

    圖15探頭圖片[6]

    圖11

    測量裝置:自動測試功能,以及外部自動控溫系統(tǒng);還可以增加溫度探頭記錄環(huán)境溫度;

    計(jì)算裝置:測試過程中可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到第三方軟件,進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理;

    分析軟件:對測量參數(shù)進(jìn)行擬合,分析處理數(shù)據(jù);

    測試模塊:薄膜、平板、一維、各向異性、比熱等。薄膜測試模塊主要測試薄膜、涂層樣品;平板模塊主要測試高導(dǎo)熱片材或板材;一維模塊主要測試棒狀樣品;低導(dǎo)熱和極輕樣品主要用低密度高絕熱模塊;各向異性、層狀樣品主要用各向異性模塊;比熱測試就用比熱模塊。

    4.2儀器參數(shù)

    導(dǎo)熱系數(shù)范圍:0.005-1800W/mK;熱擴(kuò)散系數(shù):0.01-1200mm2/s;比熱:到5MJ/m3K;

    溫度范圍:20k-1000°C;

    測試時(shí)間:1-2560s;

    精度:±3%;

    重復(fù)性:優(yōu)于1%;

    主機(jī)溫度:室溫;

    搭配高溫爐:最高750°C,惰性環(huán)境最高1000°C;

    搭配循環(huán)?。?/span>-35°C~200°C;

    測試樣品種類:固體、薄膜、液體、粉末、纖維、生物樣等;

    測試材料類型:金屬、陶瓷、化合物、電路板、硅片、合金、礦物、粘結(jié)劑、紙張、織物、復(fù)合材料、聚合物等。

    4.3樣品要求

    固態(tài)樣品:要求樣品至少有一個(gè)平整表面,同時(shí)準(zhǔn)備兩片相同材質(zhì)樣品用于測試;塊體尺寸要求厚度大于0.5mm,直徑或邊長大于2mm

    薄膜樣品:尺寸要求厚度大于0.01mm,直徑或邊長大于22mm;塊體和薄膜,不同導(dǎo)熱系數(shù),要求尺寸不同。對于低導(dǎo)熱系數(shù)的樣品,尺寸可以小,而針對高導(dǎo)熱的樣品,尺寸需要增加,便于增加測試時(shí)間,提高測試精度[6]。

    液體和粉末樣品:體積大于30ml,便于鋪滿容器,覆蓋探

    頭。

    5優(yōu)缺點(diǎn)

    5.1優(yōu)點(diǎn)

    1)Hotdisk熱常數(shù)分析儀直接測試得到導(dǎo)熱系數(shù),同時(shí)也可以測得材料的熱擴(kuò)散系數(shù)和熱容;

    2)測試方便快捷,直接接收探頭傳到樣品的熱量,樣品不需要形成溫度梯度,縮短了測試時(shí)間;

    3)可測樣品范圍廣,對于樣品的尺寸要求靈活,不規(guī)整也可以測試;

    4)Hotdisk測試導(dǎo)熱系數(shù)精確度高,可以達(dá)到±3%

    5)測試過程不受接觸熱阻的影響;

    6)測試過程中不受探頭、樣品表面、探頭與樣品間的氣穴的干擾;

    7)測試樣品種類全面,不僅固體、薄膜可以測試,液體和粉末也可以測試;

    8)測試溫度高,最高可以達(dá)到1000度。

    5.2缺點(diǎn)

    測試低導(dǎo)熱材料重復(fù)性差,在測試環(huán)境波動較小的情況下可以改善。

    6應(yīng)用

    6.1液體導(dǎo)熱系數(shù)測試

    張玉珂[5]等人使用TPS2500S型Hotdisk熱常數(shù)分析儀測試了葵花仁油和玉米胚芽油的導(dǎo)熱系數(shù),研究了測試溫度、測試時(shí)間、加熱功率對兩種油導(dǎo)熱系數(shù)的影響。如圖16所示,當(dāng)加熱功率固定為30MW,測試時(shí)間5s時(shí),葵花仁油和玉米胚芽油的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高而增大。該實(shí)驗(yàn)還通過測試乙醇驗(yàn)證了測試結(jié)果的精確度,如圖17所示,實(shí)驗(yàn)證明測試乙醇導(dǎo)熱系數(shù)與真實(shí)值相對誤差為0.07%,說明該儀器測試結(jié)果的準(zhǔn)確度很高

    圖16葵花仁油、玉米胚芽油導(dǎo)熱系數(shù)對溫度的曲線圖[5]

    圖12

    圖17乙醇導(dǎo)熱系數(shù)測量結(jié)果圖[5]

    圖13

    6.2固體導(dǎo)熱系數(shù)測試

    李靜[7]等通過TPS2500S型Hotdisk熱常數(shù)分析儀研究了Bi-In-Sn-Sb合金的導(dǎo)熱性能。實(shí)驗(yàn)通過測定陶瓷基板和不同Sb含量的合金的導(dǎo)熱系數(shù),研究了不同Sb含量的合金對陶瓷基板接觸熱阻的影響。不用溫度下,陶瓷基板和合金的導(dǎo)熱系數(shù)如圖18所示,樣品1為陶瓷基板,樣品2、3、4、5為不同Sb含量的合金。結(jié)果表明合金材料隨著溫度增加,導(dǎo)熱系數(shù)增加;陶瓷基板導(dǎo)熱系數(shù)變化較小。

    圖18不同溫度下樣品導(dǎo)熱系數(shù)[7]

    圖14

    董陳磊[8]等人使用TPS2500S型Hotdisk熱常數(shù)分析儀測試不同織物的導(dǎo)熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)通過測試不同溫度下棉麻絲毛的導(dǎo)熱系數(shù),證明了該儀器對棉麻絲毛測試的可行性,并研究了環(huán)境溫度對棉麻絲毛導(dǎo)熱系數(shù)的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖19所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,溫度升高,織物導(dǎo)熱系數(shù)增加。

    圖19織物的導(dǎo)熱性與溫度的關(guān)系[8]

    圖15

    6.3測試粉末導(dǎo)熱系數(shù)

    辛春鎖[9]等人使用TPS2500S型Hotdisk熱常數(shù)分析儀測試了氣凝膠粉末的導(dǎo)熱系數(shù),通過重復(fù)性實(shí)驗(yàn)研究了常溫下,不同時(shí)間段,氣凝膠粉末的導(dǎo)熱系數(shù)的變化。實(shí)驗(yàn)固定加熱功率4mW,間隔時(shí)間1h,測試時(shí)間320s,重復(fù)測試20次測試結(jié)果如圖20所示。結(jié)果表明,對于低導(dǎo)熱材料,Hotdisk測試重復(fù)性和時(shí)間段、環(huán)境因素相關(guān)。當(dāng)測試波動較小時(shí),低導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)測試重復(fù)性較好。

    圖20氣凝膠分體重復(fù)20次導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果[9]

    圖16

    6.4其他熱物性參數(shù)測試

    Hotdisk熱常數(shù)分析儀主要用于導(dǎo)熱性能的研究,除了導(dǎo)熱系數(shù)的測試,也用于熱擴(kuò)散系數(shù)的測試和比熱的測試。謝敬禮[10]等使用TPS2500S型Hotdisk熱常數(shù)分析儀研究了膨潤土的導(dǎo)熱性能。實(shí)驗(yàn)通過添加石墨增強(qiáng)膨潤土的導(dǎo)熱性能,研究了不同石墨含量和溫度對混合材料導(dǎo)熱性能的影響?;旌喜牧蠈?dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)、體積比熱與石墨含量關(guān)系如圖21(a)(b)(c)所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著石墨含量的增加,混合材料的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)增大,而比熱減小。

    圖21混合材料導(dǎo)熱性能和石墨含量的關(guān)系

    圖17

    參考文獻(xiàn)

    [1]索亞運(yùn),李艷寧.防護(hù)熱板法快速測量物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)[J].納米技術(shù)與精密工程,2017,15(03):193-198.

    [2]姚凱,鄭會保,劉運(yùn)傳,王康,孟祥艷,周燕萍,王雪蓉,王倩倩.導(dǎo)熱系數(shù)測試方法概述[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊),2018,54(10):741-747.

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    [6]Hot-Disk-5.6常規(guī)測試操作說明.來源于網(wǎng)絡(luò).

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    [10]謝敬禮,佟強(qiáng),魯文玥.膨潤土-石墨混合材料導(dǎo)熱性能試驗(yàn)研究[J].硅酸鹽通報(bào),2020,39(05):1689-1693.

    說明:

    (1)圖6\7\8來源于耐馳科學(xué)儀器商貿(mào)(上海)有限公司官網(wǎng)。

    (2)圖10來源于網(wǎng)絡(luò)。

     

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    全部 3小時(shí)前 四川
    文字是人類用符號記錄表達(dá)信息以傳之久遠(yuǎn)的方式和工具。現(xiàn)代文字大多是記錄語言的工具。人類往往先有口頭的語言后產(chǎn)生書面文字,很多小語種,有語言但沒有文字。文字的不同體現(xiàn)了國家和民族的書面表達(dá)的方式和思維不同。文字使人類進(jìn)入有歷史記錄的文明社會。
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