固体材料中热物性检测方案(导热仪)

瞬态平面热源技术 (Transient Plane Source Method，TPS)在固体材料热物性测试中的应用 作者： T. Log， S. E. Gustafsson译自 Fire and Materials， Vol.19， 43-49(1995) 摘要 本文应用瞬态平面热源技术 (Transient Plane Source Method， TPS) 对热导率范围从0.028-166W/mK之间的几个标准样品进行了测试，得到的数据与采用其他标准方法得到的数据非常吻合。实验结果表明， TPS 技术非常适合于测试固体材料的热扩散系数和热导率。它不需特别的样品制备，与其他方法相比，不仅精度较高，而且测试速度更为快捷。 关键字 瞬态平面热源技术 (Transient Plane Source Method， TPS)， 热导率，热扩散系数 简介 众所周知，固体材料的热导率和热扩散系数随着材料的结构、密度、多孔性、导电性的不同而变化。通常，这些性能也受到温度和压力的影响。由于材料热物理性能的不同，对应于不同的材料和不同的实验条件，近年来，发展了大量不同的实验技术。瞬态平面热源技术 (TransientPlane Source Method， TPS) 是由瑞典 Chalmer 理工大学的 Silas Gustafsson 教授在热线法的基础上发展起来的一项专利技术，在过去20年中，瞬态平面热源技术被越来越多地被研究人员应用于各种不同类型材料的热物性的测试11-101。 本文中我们采用 TPS 技术对常见的一些固体材料进行了测试，所涉及的样品是压延聚苯乙烯(k=0.19 W/mK)， Cecorite 130P (k=1.45 W/mK)， NIST 不锈钢 (k=14.24 W/mK) 和铝块(k=166W/mK)。 原理 本文中使用了一个薄层圆盘形的温度依赖电阻作为样品探头(见图1)，探头系由导电金属镍经刻蚀处理后形成的连续双螺旋结构的薄片，外层为双层 Kapton 保护层。外层的 Kapton 保护层的厚度只有 0.025 mm，它令探头具有一定的机械强度，同时保持探头与样品之间的电绝缘性。与热线法 (Hot Wire) 和热带法(Hot Strip)一样，由于采用具有热阻性的材料同时作为热源和温度传感器，瞬态平面热源技术能够覆盖较大的热导率范围，因而可以同时适用于各种不同类型的材料。 图1连续双螺旋结构的圆盘型平面热源探头 测试时，探头被夹在两片样品中间，形成类似三明治的结构(见图2)，在探头上通过恒定输出的直流电，由于温度的增加，探头的电阻发生变化，从而在探头两端产生电压下降，通过记录在一段时间内电压和电流的变化，可以较为精确地得到探头和被测样品中的热流信息。 图2平面热源探头放置于样品中间形成三明治结构 初始测试时，在绝缘性的 Kapton 涂层上会产生很小的温度下降，经过很短的一个初始化 过程，由于输出功率是恒定的，温度的下降将保持恒定。探头的电阻变化可以用下式表示： Ro 是探头在瞬态记录前的电阻，α是热阻系数(TCR)， AT(t)是假设探头和被测样品完全接触时的平均温度上升值。 在方程式2中，Po是探头释放的热， k 是被测样品的热导率，r是探头的半径，t可以由下式得到： a是被测样品的热扩散系数， t是测试时间，是特征测量时间(Q=r /a)。将2式代入1式， 将测得的电阻R(t)对 D(t)作图应当得到一条直线。通过反复变换@进行拟合，寻找到正确的@数值，使R(t)对 D(t)的直线相关性达大最大。热扩散系数可以由a=1/得到，热导率由直线的斜率C计算得到。 当测试时间比特征测量时间Q(t<0.5)短得多时，只有当参数√a/k= kpC， 时上述计算成立，此时的数学模型接近于表面通过恒定热流的无限厚板的情况。当测试时间比特征测量时间(t>2)长得多时，只能得到热导率，此时的数学模型接近于一个无限大固体被一个点热源在内部加热的情况。因此，为了在瞬态测试时同时得到热扩散系数和热导率，必须选择合适的参数，测试时间不能过于偏离特征测试时间。 实验 为了测试较大范围的热导率，我们选定了以下五种样品，从绝缘材料到导热材料，热导率的范围为 0.02-200 W /mK，样品的尺寸和它们的热性能如表1所示。 (1) 压延聚苯乙烯 (ASTM C 578 Round Robin) (2) PMMA (Perspex， ICI， Inc.) (3) Cecorite 130P (Lafarge Company， France) 12 (4) 不锈钢 (SRM 1462， NIST， Gaithersburg， MD， USA) 113 (5) 铝吕(Grade ALMG4.5MN (DIN.1745， DIN.59600)， Nordisk Metal A/S， Haugesund，Norway) Table 1. 样品尺寸及由其他测试方法得到的热物性值 样品名称 尺寸(mm) 热导率k (W/mK) 热扩散系数 a(mms) 压延聚苯乙烯 100×100×50 0.02881] 0.75° PMMA 100×100×20 0.19[16] 0.1116] Cecorite 130P 31×35×20 1.4512] 0.96'[12] 不锈钢 Dia. 32， L 50 14.2013] 3.74171 铝 100×100×30 166

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