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热衍率与激光闪光方法

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热扩散性是一种重要特性,用于评估材料如何转移热量和对温度变化的反应。热扩散率(α)是材料中热量与存储热量的比率。同样,导热性 kappa 描述由于温度梯度而通过材料传递的热量。热扩散率和导热率由以下方程相关,其中 Roe 是密度,Cp 是材料的特定热容量。具有高热扩散率的材料(如金属)能够快速传导热能,而热扩散率低的材料(如塑料)则要慢得多。材料的热扩散率通常使用激光闪光分析或 LFA 进行测量。在这种技术中,样品在一侧加热,方法是用激光脉冲,诱导温度梯度,然后根据时间进行测量。本视频将介绍如何使用激光闪光方法测量热扩散性的基础知识。然后,我们将使用标准样品在实验室中演示该技术。

首先,激光闪光方法需要具有平面和平行顶部和底部表面的样品,通常采用薄盘的形状。虽然固体磁盘样品是最直接的样品,但该技术可用于粉末、液体,甚至分层或多孔样品。样品制备后,将其悬浮在密封的炉子内,并带有受控气氛。每个脉冲功率约为 15 焦耳的激光为样品底部表面提供瞬时能量脉冲。样品顶面上方的红外探测器可记录温度随时间变化而变化。"在每个脉冲之间允许样品平衡。激光脉冲和由此产生的温度变化数据被记录为设定的温度测量点。

生成的数据称为热图,是温度变化或测量信号相对于时间的图解。使用通常纳入系统软件的热传输模型进行理论预测后,获得热扩散率的估计值。最常用的模型是公园理想模型。该模型涉及求解一个微分方程,其边界条件假定恒定温度,并且测量期间系统没有热量逸出。这两个假设对于非理想测量都是错误的,因此使用考虑到热损失的 Cowan 模型纠正此模型。现在,我们已经介绍了激光闪光方法,让我们来看看如何使用标准铁样品运行测量。

开始打开激光闪光仪器,让它预热约两小时。仪器预热后,使用小漏斗将液氮填充探测器舱。让液体沉淀,直到不再有蒸汽流出。然后关闭隔间。现在获取您的样本。在这里,我们使用的是铁的标准磁盘。使用卡钳测量样品的尺寸。它应该在6到25.4毫米宽之间。厚度应均匀,在1至4毫米之间。计算样品的平均厚度以及标准偏差。为确保样品均匀加热,在表面上喷涂一层薄薄的胶体石墨涂层。重复三次,让样品在喷雾之间干燥,然后将样品翻转过来,以同样的方式向另一侧喷洒。

干燥后,将样品放在小样品支撑的下半部分,然后用支撑的上半部分盖住。同时按下机器右侧的安全按钮和前侧标记的炉子上的按钮,打开炉子。顺时针旋转探测器,以便在熔炉周围具有更大的移动性。炉内的样品级有三个位置,用于保存样品。将包含样本的示例支持放在三个位置之一,注意哪个位置是哪个位置。然后重新校准探测器,并通过按下安全按钮与熔炉按钮同时关闭炉子。现在先疏散房间,然后再用惰性气体清除。首先确保排气阀关闭。然后打开真空泵并缓慢打开真空阀以排出造型室,直到压力指示器稳定。接下来打开 Argon 油缸上的调节器,并将压力设置为 5 到 10 PSI 之间。然后关闭真空阀并打开回填阀,以向腔室中加注气。

关闭回填阀,然后缓慢打开真空阀,再次排空造型室,使压力稳定。然后关闭真空阀,再次打开回填阀,以重新加注。然后,在压力稳定后再次关闭回填阀。再做几次,以确保腔内没有空气。这是为了消除氧气或氮气在高温下与样品表面的化合物发生反应的机会。然后打开净化并打开排气阀,然后打开控制器。现在,炉子应留下来自净化气体的非常轻微的正压,以确保空气不会流入熔炉。然后启动机器的软件。样品将加热25至600摄氏度,然后冷却到25度。在每个温度下将发出三个脉冲,每 50 度进行一次测量。现在调整流量表上的净化流速,直到流量稳定,然后启动实验。定期检查探测器中的液氮水平,并根据需要重新加注。测试完成后,从炉子和样品架中取出样品。

现在,让我们来看看数据。首先,我们看到我们的铁标准样品上两个测量信号与激光脉冲的时间图。左边的一个是48.2度的激光脉冲的响应,右边是600度对激光脉冲的响应。蓝色曲线显示从样本中收集的温度数据,细红线显示来自 Cowan 模型的计算数据。这两组数据都非常适合模型,因为它是定义良好的标准材料。通常,实验计算的值在高温下最符合 Cowan 模型,如在低温与高温下激光脉冲的模型轨迹偏差较大。如果我们看一下计算出的热扩散率,与每个点代表一个激光脉冲的温度相比,我们可以看到,在较低温度下,噪音更大,但在较高温度下更符合预期。

在为涉及热流或温度波动的任何应用选择合适的材料时,必须了解材料的热特性。例如,在观察航天器时,热保护砖在成功重返大气层中起着重要作用。当进入大气层时,航天器暴露在高温下,在没有保护层的情况下会融化、氧化或燃烧。热砖通常由纯硅玻璃纤维制成,具有微小的充满空气的孔隙。这两个组件具有低导热性,因此最大限度地减少了瓷砖的热通量。随着电子元件的小型化,集成电路中的散热问题已成为一个关键问题。加热通常是由焦耳加热引起的,其中电流通过材料产生热量,就像这种电加热器的线圈一样。这些电路元件可以产生热点,因此必须选择能够散热的材料,这也是传统上选择铜和银的原因。你刚刚看了乔维的

通过激光闪光方法进行热扩散研究简介。您现在应该了解为什么分析热扩散率对于广泛的工程应用至关重要,以及如何使用激光闪光方法测量样品的热扩散性。谢谢你的收看。

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