耐驰LFA激光导热仪原理与测试

闪光导热仪LFA原理与测试

一、概述

材料的导热性能测试方法众多，大体可分为稳态法与瞬态法两大类。其中稳态法（包括热流法、保护热流法、热板法等）根据Fourier方程直接测量导热系数，但温度范围与导热系数范围较窄，主要适用于在中等温度下测量中低导热系数材料。瞬态法则应用范围较为宽广，尤其适合于高导热系数材料以及高温下的测试，其中发展最快、最具代表性、得到国际热物理学界普遍承认的方法是闪光法（Flash Method，有时也称为激光法，激光闪射法）。

闪光法所要求的样品尺寸较小，测量范围宽广，可测量除绝热材料以外的绝大部分材料，特别适合于中高导热系数材料的测量。除常规的固体片状材料测试外，通过使用合适的夹具或样品容器并选用合适的热学计算模型，还可测量诸如液体、粉末、纤维、薄膜、熔融金属、基体上的涂层、多层复合材料、各向异性材料等特殊样品的热传导性能。

闪光法相关测量标准：

ASTM E­1461：Standard Test Method for Thermal Diffusivity of Solids by the Flash Method

DIN EN821

DIN30905

二、原理

闪光法直接测量的是材料的热扩散系数，其基本原理示意如下：

图中在一定的设定温度T（由炉体控制的恒温条件）下，由激光源或闪光氙灯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。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，得到类似于下图的温度（检测器信号）升高对时间的关系曲线：

在理想情况下，光脉冲宽度接近于无限小，热量在样品内部的传导过程为理想的由下表面至上表面的一维传热、不存在横向热流，外部测量环境则为理想的绝热条件、不存在热损耗（此时样品上表面温度升高至图中的顶点后将保持恒定的水平线），则通过计量图中所示的半升温时间t50（定义为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），由下式：

α=0.1388*d2/t50（d:样品的厚度）

即可得到样品在温度T下的热扩散系数α。

对于实际测量过程中对理想条件的任何偏离（如边界热损耗、样品表面与径向的辐射散热、边界条件或非均匀照射导致的径向热流、样品透明／半透明而表面涂覆不够致密导致的部分光能量透射或深层吸收、t50很短导致光脉冲宽度不可忽略等），需使用适当的数学模型进行计算修正。

由于导热系数（热导率）与热扩散系数存在着如下的换算关系：

λ(T)=α(T)*Cp(T)*ρ(T)

在已知温度T下的热扩散系数α、比热Cp与密度ρ的情况下便可计算得到导热系数。其中密度一般在室温下测量，其随温度的变化可使用材料的线膨胀系数表进行修正（同时修正样品厚度随温度的变化），在测量温度不太高、样品尺寸变化不太大的情况下也可近似认为不变。比热可使用文献值、可使用差示扫描量热法（DSC）等其他方法测量，也可在闪光法仪器中使用比较法与热扩散系数同时测量得到。对于比较法的原理简述如下：

使用一个与样品面积（或至少由遮光片等控制的实际检测面积）相同、厚度（或至少上表面距检测器距离）相同、表面结构（光滑程度）相同、热物性相近且比热值已知的参比标样（以下简写为std），与待测样品（以下简写为sam）同时进行表面涂覆（确保与样品具有相同的光能吸收比与红外发射率），并依次进行测量，在理想的绝热条件下，得到如下的两条测试曲线：

此时根据比热定义：

Cp =Q /△T *m （Q ：样品吸收的能量；△T ：样品吸收能量后的温升；m ：样品质量）则：

Cp sam /Cp std =(Q sam /△T sam *m sam )/（Q std /△T std *m std ）

在样品与标样检测面积（对于LFA447取决于遮光片孔径）相同的前提下，若下表面受照光强度（取决于光源稳定性）均匀一致、吸收比（取决于有效表面积（光洁度）与颜色（可由涂覆控制））相同，则Q sam =Q std ；若上表面红外发射率（取决于环境温度稳定性、有效表面积（光洁度）与颜色（可由涂覆控制））及距检测器距离（通常取决于厚度）相同，则△T 与△U 的换算因子固定，可将上式中的△T 用检测器信号差值△U 代替，由此上式可转换为：

Cp sam /Cp std =（△U std *m std ）／（△U sam *m sam ）

其中Cp std 、m std 、m sam 均为已知，△U （△T ）在理想绝热条件下为不随时间而变的确定值，可由上图的曲线水平段直接读到。则：

Cp sam ＝Cp std *（△U std *m std ）／（△U sam *m sam ）

需要指出的是，一般实际的测试条件均偏离绝热条件，样品受照射后在升温过程中即同时伴随着热损耗，由此非但△T （△U ）在达到最大值后不能保持水平稳定，即使是△T ～t 实测曲线上的最高点△T meas 亦与绝热条件下的△T adiabatic

有一定偏差。如下图所示：

因此在进行比热计算前，需对△T meas 进行热损耗修正，使用修正后的△T corr 进行比热计算。（该修正在Netzsch LFA Proteus 软件中已包含在热扩散系数计算步骤中）

另外，若对标样与样品测试所使用的光脉冲能量不同，需在上面的计算式的Q

一项中引入

标样曲线待测样品曲线

相应的比例系数；若信号放大倍数不同还须在△U一项中引入比例系数，此为具体技术枝节，相应换算由软件自动完成，此处不再赘述。

三、测试

尽管闪光导热仪LFA的热扩散系数与比热测试可在同一次测试中完成，但从技术层面我们不妨将其作为两种类型的测试分别加以研究。

热扩散系数测试要点（其中红色字体的为特别应该注意的地方）：

1.样品须为端面平行而光滑的片状固体材料，内部材质均匀。

2.选择合适的样品形状与尺寸。

可选形状一般包括圆片与方片，相对而言圆形样品较为标准，水平各方向上边界条件一致，径向热流较均匀，较易修正。样品直径（边长）不宜太小，越小越偏离无限平面、一维传热的理想情况，边界条件的影响将增大。但尺寸选择同时也应考虑现有样品托盘尺寸、加工条件等其他因素。

3.根据不同的样品材料选择合适的样品厚度。一般的建议值如下：

高导热材料，热扩散系数>50mm2/s（如金属单质、石墨、部分高导热陶瓷等）：建议厚度2～4mm。

中等导热材料，热扩散系数在1～50mm2/s之间（如大部分陶瓷、合金等）：建议厚度1～2mm。

低导热系数，热扩散系数<1mm2/s（如塑料、橡胶、玻璃等）：建议厚度0.1～1mm。

以上各范围只是个大致值，掌握其总体原则（高导热样品制的厚一些，低导热样品制得薄一些）即可，不必恪守其具体范围值。其原则为使光能的透过时间（或t50）保持在一个合理的范围，因透过时间太长（如低导热材料制样太厚），过程中热损耗严重，将影响实验精度；透过时间太短（如高导热材料制样太薄），表面石墨涂覆层的影响将增大，所测热扩散系数可能偏低，若t50小至接近于仪器的采样时钟频率的数量级，t50的数据精度将降低，进而将影响热扩散系数的测试精度。

另根据热扩散系数计算公式α=0.1388*d2/t50，厚度值准确与否对热扩散系数计算精度影响极大（平方级关系），因此样品端面必须平行（厚度均匀一致），且必须使用千分尺进行精确测量，保证厚度数据的可靠性。

4.表面涂覆

除了少数深色不透明、表面色泽均匀、反射率低的样品外，对于一般的样品均需进行表面涂覆，涂覆材料通常使用石墨，目的是增加样品表面对光能的吸收比与红外发射率，且对透明／半透明样品使光能仅在表层吸收并进行表层检测，避免透射／深层吸收／深层检测现象。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，否则最终样品将类似于石墨­样品­石墨的三层复合材料，尤其在样品本身较薄、热扩散系数又较高的情况下，石墨层与界面层的热阻不可忽略，将导致测得的热扩散系数偏低。

另对于高透明度的样品，若石墨涂层不足以有效阻挡光透射，可考虑将样品表面镀金。但镀金后的样品仍需喷涂石墨，以提高光能的吸收比与吸收均匀性。

5.遮光片

样品放入托盘后，上方需放置配套的遮光片，其孔径应比样品直径为小，以屏蔽样品边界（偏离理想一维传热）与托盘本身的传热信号，使检测器仅检测到样品中心区域（接近一维传热）的温升。

6.测试参数设定（LFA447）

对于LFA447，一次测试的总采样点数为2000点，其中baseline（基线）的采样点数建议设为300点，以使分析软件能够使用linear类型基线拟合出由于环境温度不够稳定造成的检测