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深入了解一下瞬態(tài)平面熱源法的具體原理

更新時間:2020-11-09瀏覽:3369次

   瞬態(tài)平面熱源法是研究熱傳導(dǎo)性能方法中的一種,它使測量技術(shù)達(dá)到了一個全新的水平。在研究材料時能夠快速準(zhǔn)確的測量熱導(dǎo)率,為企業(yè)質(zhì)量監(jiān)控、材料生產(chǎn)以及實驗室研究提供了較大的方便。該儀器操作方便,方法簡單易懂,不會對被測樣品造成損壞。

  瞬態(tài)平面熱源法測定材料熱物性的原理是基于無限大介質(zhì)中階躍加熱的圓盤形熱源產(chǎn)生的瞬態(tài)溫度響應(yīng)。利用熱阻性材料做成一個平面的探頭,同時作為熱源和溫度傳感器。鎳的熱阻系數(shù)--溫度和電阻的關(guān)系呈線性關(guān)系,即通過了解電阻的變化可以知道熱量的損失,從而反映樣品的導(dǎo)熱性能。Hotdisk探頭采用導(dǎo)電金屬鎳經(jīng)刻蝕處理后形成的連續(xù)雙螺旋結(jié)構(gòu)的薄片,外層為雙層的聚酰亞胺(Kapton)保護(hù)層,厚度只有0.025mm,它令探頭具有一定的機(jī)械強(qiáng)度并保持與樣品之間的電絕緣性。在測試過程中,探頭被放置于中間進(jìn)行測試。電流通過鎳時,產(chǎn)生一定的溫度上升,產(chǎn)生的熱量同時向探頭兩側(cè)的樣品進(jìn)行擴(kuò)散,熱擴(kuò)散的速度依賴于材料的熱傳導(dǎo)特性。通過記錄溫度與探頭的響應(yīng)時間,由數(shù)學(xué)模型可以直接得到導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率,兩者的比值得到體積比熱。
  初始測試時,在Kapton涂層上會產(chǎn)生很小的溫度下降,經(jīng)過很短的,由于輸出功率是恒定的,溫度的下降將保持恒定。探頭的電阻變化可用下式表示。
  R(t)=Ro[1+α△Ti+α△T(τ)] (1)
  其中
  Ro:探頭在瞬間記錄前的電阻;
  α:電阻溫度系數(shù)(TCR);
  △Ti:薄膜保護(hù)層中的溫差(由于保護(hù)層非常薄,在很短時間內(nèi)可以把△Ti看作是定值);
  △T(τ):與試樣處于理想*接觸時探頭平均溫升。
  而△T(τ)可以表示為:
  △T(τ)=QD(τ)/(λroπ^3/2) (2)
  其中:
  Q:恒定輸出功率;
  ro:探頭半徑;
  λ:被測樣品導(dǎo)熱系數(shù),即我們要求的值;
  D(τ):無因此時間函數(shù)。
  假設(shè)R*=Ro(1+α△Ti), K=αRoQ/(λroπ^3/2),將(2)式代入(1)式得:
  R(t)=R* + K D(τ) (3)
  將測得的電阻值R(t)對D(τ) 作圖得到一條直線,截距是C。通過反復(fù)變換特征時間θ擬合,使R(t)對D(τ)的 得直線相關(guān)性達(dá)到較大,此時導(dǎo)熱系數(shù)便可以由直線的斜率K計算得出。

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