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一文看懂熱擴散系數(shù)儀的核心測量原理和結(jié)構(gòu)組成

發(fā)布時間:2025/10/9 18:24:10瀏覽:103次

  熱擴散系數(shù)儀是一種專門用于測量材料熱擴散系數(shù)的精密儀器。熱擴散系數(shù)是材料重要的熱物理性能參數(shù)之一,它描述了材料在受熱或冷卻時,溫度變化在材料內(nèi)部傳播的速度,單位為mm²/s或m²/s。它不僅與材料的導(dǎo)熱能力有關(guān),還綜合反映了其吸熱(比熱容)和儲熱(密度)的特性,計算公式為:α=λ/(ρ·Cp),其中λ為導(dǎo)熱系數(shù),ρ為密度,Cp為比熱容。
  與單純測量導(dǎo)熱系數(shù)的設(shè)備不同,熱擴散系數(shù)儀直接測量的是“熱量傳播的快慢”,在材料研發(fā)、質(zhì)量控制、航空航天、新能源(如電池材料)、建筑材料和科研領(lǐng)域具有不可替代的作用。
  一、核心測量原理:激光閃射法(Laser Flash Method)
  目前主流、精確的熱擴散系數(shù)測量方法是激光閃射法(LFA,Laser Flash Analysis),其工作原理如下:
  1.樣品準(zhǔn)備:將待測材料加工成規(guī)則的圓片或方形薄片(典型尺寸:直徑10-12mm,厚度1-3mm),表面通常涂黑以增強對激光的吸收和紅外輻射。
  2.實驗過程:
  樣品被置于絕熱環(huán)境中(如真空或惰性氣體腔室)。
  在樣品前表面施加一束高強度、短脈沖的激光(或氙燈)閃光,使其在極短時間內(nèi)(毫秒級)均勻受熱。
  樣品前表面溫度瞬間升高,熱量開始向后表面?zhèn)鲗?dǎo)。
  安裝在樣品后表面的紅外探測器實時記錄溫度隨時間上升的曲線(即“溫升曲線”)。
  3.數(shù)據(jù)處理:
  儀器通過分析溫升曲線,特別是溫度達(dá)到最高值一半時所需的時間(t?/?),利用特定的數(shù)學(xué)模型(如Cowen-Faber模型)計算出材料的熱擴散系數(shù)α。
  結(jié)合已知的材料密度(ρ)和比熱容(Cp),可進一步推算出導(dǎo)熱系數(shù)(λ=α·ρ·Cp)。


  二、主要組成部分
  1.激光/閃光光源:提供瞬時加熱能量。
  2.樣品腔室:可抽真空或充惰性氣體,消除對流和氧化影響。
  3.紅外探測器:高靈敏度,用于捕捉微弱的溫度變化信號。
  4.冷卻系統(tǒng):通常采用液氮冷卻探測器,提高信噪比。
  5.控制系統(tǒng)與軟件:控制實驗流程、采集數(shù)據(jù)、進行模型計算和結(jié)果輸出。

  熱擴散系數(shù)儀如同材料的“熱脈搏探測器”,它以非接觸、高精度的方式揭示了熱量在物質(zhì)內(nèi)部的“奔跑速度”,為科技發(fā)展提供了關(guān)鍵的熱物理數(shù)據(jù)支撐。

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