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激光导热仪测量材料热扩散系数的原理和方法

来源：时间：2025-03-21 14:16:11 浏览：813次

激光导热仪测量材料热扩散系数的原理和方法

激光导热仪（Laser Flash Analyzer，LFA）是一种基于激光闪射法原理设计的先进测试设备，广泛应用于材料科学、汽车工业、航空航天、电子工程、化学工业及能源领域等多个行业。它通过向样品表面发射短暂的激光脉冲实现瞬间加热，并迅速捕捉由此引发的温度变化，进而解析出材料的热传导性能。

一、基本原理

激光导热仪的工作原理涉及向待测样品的下表面迅速投射一束高强度的激光，使激光能量高效地转化为热能。通过对不同位置温度数据的采集与分析，构建出样品的温度分布图及其随时间变化的曲线，进而精确计算出样品的热传导系数、比热容等关键物理特性。

激光闪射法原理

激光闪射法是一种瞬态导热测试方法，通过激光源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。在此过程中，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，得到温度（检测器信号）升高对时间的关系曲线。

根据温度-时间关系曲线，可以计算出样品的半升温时间t50，即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。由公式α=0.1388×d2/t50（d为样品的厚度）即可得到样品在设定温度T下的热扩散系数α。

导热系数的计算

导热系数λ是材料导热性能的重要参数，它表示单位时间内通过单位面积、单位温度梯度所传递的热量。导热系数λ可以通过公式λ=α×Cp×ρ计算得出，其中α为热扩散系数，Cp为比热容，ρ为密度。

在激光导热仪测试中，热扩散系数α可以直接通过测量得到，而比热容Cp和密度ρ则需要通过其他方法获取。比热容Cp可以通过差示扫描量热法（DSC）或蓝宝石法等方法测量得到，密度ρ则通常在室温条件下进行测量。

二、测量方法

激光导热仪的测量方法主要包括样品的选取与准备、测试参数的设置以及测试数据的处理与分析等步骤。

样品的选取与准备

（1）样品的选取

激光导热仪特别适用于那些热传导性质呈现线性响应的样品测试，如测定材料的热传导系数和导热率等关键参数。因此，在实验开展之前，需精心挑选具有不同材质、形状、尺寸及厚度的样品，并对这些样品的特性以及实验的具体需求进行全面的评估与分析。

（2）样品的准备

为确保激光能够均匀穿透样品表面并深入其内部，需对样品进行适当的预处理。这包括表面的抛光、清洁以及必要的磨削等步骤。此外，对于一般的样品，还需进行表面涂覆处理，以增加样品表面对光能的吸收比与红外发射率。涂覆材料通常使用石墨，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，否则将影响测量结果的准确性。

对于透明或半透明样品，由于光能可能穿透样品并在深层吸收，导致深层检测现象的发生，因此需要对样品进行特殊处理。一种常见的方法是对样品表面进行喷碳处理，以阻挡光能的透射。另外，若石墨涂层不足以有效阻挡光透射，还可考虑将样品表面镀金。

测试参数的设置

在测试之前，需要根据样品的特性和实验的具体需求设置合适的测试参数。这些参数包括激光脉冲的能量、脉冲宽度、检测器的灵敏度以及测试温度等。其中，测试温度的设置尤为重要，因为它会直接影响样品的热传导性能和测量结果的准确性。通常，测试温度需要在样品的热稳定温度范围内进行选择，并尽量保持恒温条件。

测试数据的处理与分析

在测试过程中，激光导热仪会实时记录样品上表面中心部位的温升过程，并生成温度-时间关系曲线。通过对该曲线的分析，可以得到样品的半升温时间t50，进而计算出样品的热扩散系数α。同时，结合已知的比热容Cp和密度ρ，可以进一步计算出样品的导热系数λ。

需要注意的是，在数据处理过程中，需要对实验数据进行修正和校准。这包括对比热容Cp和密度ρ的测量结果进行修正，以及对温度-时间关系曲线进行平滑处理和噪声滤除等步骤。这些修正和校准工作对于提高测量结果的准确性和可靠性至关重要。

三、应用与优势

激光导热仪作为一种先进的热物性检测设备，在材料科学、汽车工业、航空航天、电子工程、化学工业及能源领域等多个行业中得到了广泛应用。其应用优势主要体现在以下几个方面：

测量范围广

激光导热仪适用于绝大多数材料的导热性能测试，包括固体、液体、粉末、薄膜、纤维等各种形态的样品。同时，它还能够测量高温和高导热系数材料的导热性能，这对于一些特殊材料的研发和应用具有重要意义。

测量速度快

激光导热仪采用瞬态测试方法，能够在短时间内完成样品的测试工作。这大大提高了测试效率，降低了测试成本，并有利于实现大规模自动化测试。