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(gè)全新的水平。在研究材料時(shí)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(shí)驗(yàn)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(huì)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(gè)平面的探頭,同時(shí)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(shí),產(chǎn)生一定的溫度上升,產(chǎn)生的熱量同時(shí)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(shí)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(shí),在Kapton涂層上會(huì)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(shí)間內(nèi)可以把△Ti看作是定值);
△T(τ):與試樣處于理想*接觸時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)導(dǎo)熱系數(shù)便可以由直線的斜率K計(jì)算得出。