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    技術百科

    激光閃射法導熱系數測試方法

    2017/08/02

      背景:
      導熱系數是表征材料熱傳導能力的重要物理參數,是工程材料尤其是窯爐材料的熱物理特性之一。在研究和開發新型耐火材料時,研究人員都很重視導熱系數這項技術指標,并在冶金工程材料、建筑中作為選擇材料的重要依據之一。所以,準確測定材料的導熱系數至關重要。目前國內測定耐火材料導熱系數通常采用平板法和熱線法。但這兩種方法均存在測量精度不高,測量范圍較窄等不足。1961年,Parker等開始了利用激光脈沖技術測量材料的熱物理性能的研究,由于這種技術具有測量精度高、測試周期短和測試溫度范圍寬等優點,得到廣泛的研究和應用,經過不斷發展和完善,目前激光閃射法已經成為一種成熟的材料熱物理性能測試方法。
      激光閃射法是目前世界上最先進的材料熱物理性能測試方法之一,歐美各國的大部分熱擴散數據就是用該方法測定的。本文介紹的激光閃射法導熱系數測定方法是通過直接測量材料的熱擴散系數、比熱容、密度來計算材料的導熱系數。
      1. 案例背景
      接收到客戶石墨紙測試樣品,要求根據ASTM E1461-13測試標準完成測試。
      2. 測試方法簡述
      A.測試程序:
      1) 試樣的制備:由于耐火材料多為含顆粒原料的材料,具有明顯的非均質性和方向性,因此試樣的制備對測定結果影響很大,要嚴格控制試樣的直徑、厚度和兩個端面的平行度。典型試樣為直徑為12.7mm或者25.4mm的圓形試樣;
      2) 試樣的處理:為了減少耐火材料對激光脈沖的反射,并增加試樣表面對激光脈沖能量的吸收,測試前可以在待測試樣的兩面均勻噴涂石墨涂層。石墨涂層可以阻止激光射線和可觀察波長段熱輻射的穿透,在高溫階段能夠抵抗激光脈沖的加熱而不融化和蒸發,并且不與試樣產生反應;
      3) 試樣的安裝與測定:試樣經過上述步驟的處理后,即可放入儀器中進行測試。通過計算機控制系統,設定待測試樣的試驗條件,包括升溫時間,試驗溫度和試驗氣氛等。達到設定溫度,并且溫度穩定后,選擇手動或者自動方式開啟激光發生器,儀器自動記錄試樣上表面溫升隨時間的變化曲線,整個測定過程結束。
    試驗裝置示意圖
      試驗記錄:
      1) 測試溫度;
      2) 熱擴散系數;
      3) 比熱容;
      4) 密度;
      5) 樣品厚度。
    測試數值結果
      備注:導熱系數=密度×比熱容×熱擴散系數;測試溫度不同相關參數會有明顯不同。
      B.設備照片:
    激光閃射法
      3. 結論
      由以上測試分析結果可知,該款石墨紙樣品的在溫度為28℃時的導熱系數(K)橫向=177.887 W/m?k,(K)橫向=2.817 W/m?k.
      從測試數據可以明顯看出石墨相關合成材料的水平熱擴散系數遠遠高于垂直熱擴散系數,因此在實際的應用領域使用方可重點關注其水平方向的熱擴散性能。
      4. 參考標準
      ASTM E1461-13用閃光法測定熱擴散率的標準試驗方法

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