PDF《热分析测试技术应用——Application Note:006》

热分析测试技术应用――Application Note:006 激光闪光法测试蓄热相变材料热扩散系数 ――第2部分:理论分析 Measurement of theThermal Diffusivity of Thermal Storage Phase Change Materials by Laser Flash Method――Part II:Theoretical Analysis 上海依阳实业有限公司 www.

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7 页 摘要:本文针对目前激光闪光法测试液体和颗粒物材料中常用的三层结构样品容器形式,从理论上分 析激光闪光法测试液体样品过程中的必要条件、影响因素和误差,一方面说明激光闪光法在液体材料热性 能测试中的复杂性和局限性,另一方面指出激光闪光法在液体材料测试过程中的注意事项和关键操作步 骤,以便得到更可靠的测量结果. 关键词:闪光法、激光闪光法、相变材料,液体、粉体、热扩散系数,导热系数,储能,蓄热 1. 引言 蓄热相变材料的热性能参数测试, 特别是热扩散系数和导热系数测试, 可以归结为一个液体材料热性能测试问题, 用于液体材料热性能测试的准确且简便的方法很多,如准稳态法、瞬态热线法和瞬态平面热源法. 由于激光闪光法在固体材料热性能测试中应用比较广泛,尽管激光闪光法并不太适用于导热系数较低的液体材料 热性能测试,但还是希望能将激光闪光法拓展应用到液体材料热性能测量中,这方面的研究工作在论文"激光闪光法 测试蓄热相变材料热扩散系数――第1部分 试验技术"中已经做了介绍. 激光闪光法热性能测试技术是基于薄片状样品的前表面吸收激光热脉冲以及无限大平板一维热传导问题的近似解. 根据厚度为 L 样品背面温度随时间变化获得样品背面最大加热温度 Tmax 以及达到最大加热温度一半所需要的时间 1/2 t . 当采用激光闪光法测量样品热扩散系数时,热扩散系数和导热系数可以通过下列公式计算得到:

2 1/2 0.1388 / L t c α λ α ρ ;

(1) 式中 L 代表样品厚度、c 代表比热容、λ 代表导热系数和 ρ 代表密度. 激光闪光法广泛用于固体材料热物理性能的测试,然而理论上研究激光闪光法测定液体及其化合物热物理特性的 文献并不多,这是因为很难在短时间高能量激光加热条件下建立液体内部温度与导热性之间的可靠关系,而且在不发 生液体过热沸腾前提下难以获得足够大样品背面温度信号. 一般来说液体介质材料的导热系数普遍较低,这样造成使用激光闪光法测定液体介质热扩散系数的另一个问题是 需要形成较薄的样品,从而使得样品制作和厚度精度保证上都会存在较大难度,并容易给测量结果带来较大影响. 在采用激光闪光法测量液体介质或颗粒物热扩散系数时,常将被测样品放置在一个样品容器中,从而在激光闪光 法测试中被测"样品"呈现出样品容器和样品形成的三层结构,外层是高导热金属或合金薄片,内层为液体或颗粒物. 本文将针对目前激光闪光法测试液体和颗粒物材料中常用的三层结构样品容器形式,从理论上分析激光闪光法测 试液体样品过程中的必要条件、影响因素和误差,一方面说明激光闪光法在液体材料热性能测试中的局限性,另一方 面指出激光闪光法在液体材料测试过程中的注意事项和关键操作步骤,以便得到更可靠的测量结果. 2. 测试模型及求解方法 激光闪光法测试中应用公式(1)需要以下假设成立: (1)傅立叶定律是有效的,热传导方程是抛物线形式,即假设样品容器的横向尺寸比液体层的厚度大许多倍,并 不考虑圆柱形样品容器中可能的两维传热. (2)初始温度均匀. (3)假定热物理性能在小温度范围内不变,即激光脉冲加热所带来的温度变化范围内热物理性能不变. (4)对外部环境的热损失可以忽略不计. (5)表面上的加热光斑认为是均匀的. 对于液体和颗粒状材料的激光闪光法测试,目前绝大多数都是采用前表面激光闪光加热和后表面测温方式,所采 用的三层结构样品容器多为文献[1,2]报道的形式. 这种为液体和微细颗粒材料的热扩散系数测量开发的特制容器, 如图 1和图 2所示. 该特制样品容器由一个坩埚、 不锈钢环和封装盖组成, 将被测样品 (约50ul)装入坩埚并装上封装盖,被测样品就会充满封装盖与坩埚之间约 0.5mm 厚的间隙,这个间隙就是被测样品厚度.装填完毕样品后,需要在坩埚底部和封装盖顶部中心区域涂覆石墨以确保表 面具有较高发射率,从而形成对脉冲加热光具有良好的热量吸收以及对非接触红外探测器具有较强的热辐射. 针对不同的测试温度范围, 特制容器的材质分别为铝合金 (适用于 500℃以下) 和铂铑合金 (适用于 1600℃以下) . 上海依阳实业有限公司――www.eyoungindustry.com 第3页共