CN104535607B - 一种半定量快速测量材料热扩散性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半定量快速测量材料热扩散性能的方法，采用点状激光对相同表面状态的测试样品进行非接触加热，通过温度传感器测量测试样品的温度，可以应用于材料研制、开发和应用选择过程中快速获取材料热扩散系数范围值或比较不同材料热扩散性能的优劣，具有样品需求少、测量成本低、快速、高效的特点。

Description

一种半定量快速测量材料热扩散性能的方法
技术领域
本发明涉及一种测量方法，具体涉及一种半定量快速测量材料热扩散性能的方法。
背景技术
在导热材料、保温材料及相变材料等研发过程中，往往需要及时了解研发样品的热扩散性能，但由于研发过程的样品非最终产品，不需要对其热扩散性能等进行定量测量，只需要了解样品热扩散性能的大致数值及不同样品的改进情况，为优化研制方法提供数据参考。因此若采用现有测试方法，存在所需样品较多、测试周期长、测试费用高等问题，大幅度延长产品研发周期，而采用半定量快速测量材料热扩散性能的方法则可以有效的解决上述问题。本发明具有样品需求少、测量成本低、快速、高效等优点。
在导热、保温、相变等材料的选择应用过程中，上述问题更是突出，因为在材料选择应用过程中往往只需要进行对比试验即可，对上述材料的热扩散性能的量化值无具体要求，但对测试效率和成本的考虑居于重要位置。
文献中常见的一种材料热扩散性能的定性测试方法是通过对测量样品在加热和冷却过程中的温度变化，加热或冷却介质一般为水或空气。该方法测试周期要求较长，样品较多，受自然对流的影响无法对一般的流体状材料进行测试，因此未被广泛应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种半定量快速测量材料热扩散性能的方法，采用点状激光对相同表面状态的测试样品进行非接触加热，通过温度传感器测量测试样品的温度。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种半定量快速测量材料热扩散性能的方法，包括以下步骤：
S1、组装实验设备，将固定支架、激光器、载物台、高精度时间继电器、直流电源、数据采集器和计算机通过电源线连接起来；
S2、初步估计测试样品导热系数数量级，根据估计值选取与之相近的同类标准样品；(或标准样品测试数据)，标准样品的数量依据实际情况决定，但一般不少于5种标准样品；
S3、启动直流电源，对激光器进行供电，调节激光器的位置，使激光器的光斑照射在坩埚中心区域，激光出口镜头据坩埚上表面距离控制在10mm～20mm，固定激光器后关闭直流电源；
S4、开启测温系统，进行调试，确保其正常运行；
S5、取标准样品，将其盛放于坩埚内(固体样品直接放置于载物台指定位置)，样品须充满坩埚，采用干锅盖密封坩埚后将其放置在载物台中间的孔内，开启测温系统，温度稳定(温度5min变化量ΔT≤0.2℃)后开启直流电源和高精度时间继电器，对激光器供电，激光器对标准样品进行加热，通过时间继电器设定激光器的加热时间(加热时间一般为10s)，加热时间满足设定要求后自动断电，测温系统对全过程进行测温，保存数据；
S6、重复步骤S5，完成所有标准样品的测试。
S7、重复步骤S5，完成所有测试样品的测试。
S8、比较测温曲线，根据测温曲线判定测试样品热扩散性能的半定量值或比较测试样品的热扩散性能优劣。
其中，所述载物台包括主体结构、坩埚、高导热石墨膜、隔热块和薄膜铂电阻测温传感器，所述薄膜铂电阻通过GD414硅橡胶黏贴在高导热石墨膜和隔热块之间，所述胶层厚度为0.2～0.3mm，所述隔热块与主体结构之间采用J131胶粘结。
其中，所述标准样品为液体、胶状和粉状时，需要盛放在坩埚内，坩埚采用纯铝坩埚，直径为5.4mm，高2.0mm。
其中，所述标准样品为固体样品时，需要加工成的样件，表面涂抹Z306黑漆。
其中，所述的主体结构材质为环氧酚醛玻璃布层压板。
其中，所述的干锅盖上表面喷涂有Z306黑漆，黑漆表面吸收率αs＝0.98±0.02，黑漆厚度为15μm～30μm。
其中，所述的高导热石墨膜厚度为120μm～150μm，面向导热系数≥50W/mK、厚度方向导热系数≥5W/mK。
其中，所述的隔热块材质为气凝胶复合材料。
本发明的原理为由于激光功率、激光工作时间、测试样品的摆放位置及表面状态等均固定，因此可以通过比较测试样品和不同标准样品的温度变化来获得测试样品热扩散性能的半定量值，或通过不同测试样品的温度值来比较不同测试样品热扩散性能的优劣。
本发明具有以下有益效果：
可以应用于材料研制、开发和应用选择过程中快速获取材料热扩散系数范围值或比较不同材料热扩散性能的优劣，具有样品需求少、测量成本低、快速、高效的特点。
附图说明
图1为本发明提供的测试装置结构及系统示意图。
图中：1、固定支架；2、激光器；3、坩埚；4、载物台；5、高精度时间继电器；7、数据采集器；8、计算机。
图2为测试装置中载物台的结构示意图。
图中：41、主体结构；42高导热石墨膜；43、隔热块；44、测温传感器。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
如图1-2所示，本发明实施例提供的测试装置包括固定支架1、激光器2、载物台4、高精度时间继电器5、直流电源、数据采集器7和计算机8，所述载物台包括主体结构、坩埚、高导热石墨膜、隔热块和薄膜铂电阻测温传感器，所述薄膜铂电阻通过GD414硅橡胶黏贴在高导热石墨膜和隔热块之间，所述胶层厚度为0.2～0.3mm，所述隔热块与主体结构之间采用J131胶粘结，所述标准样品为液体、胶状和粉状时，需要盛放在坩埚内，坩埚采用纯铝坩埚，直径为5.4mm，高2.0mm，所述标准样品为固体样品时，需要加工成的样件，表面涂抹Z306黑漆，所述的主体结构材质为环氧酚醛玻璃布层压板，所述的干锅盖上表面喷涂有Z306黑漆，黑漆表面吸收率αs＝0.98±0.02，黑漆厚度为15μm～30μm，所述的高导热石墨膜厚度为120μm～150μm，面向导热系数≥50W/mK、厚度方向导热系数≥5W/mK，所述的隔热块材质为气凝胶复合材料。
实施例
半定量快速测量材料热扩散性能的方法，包括以下步骤：
步骤一：按照本发明的相关要求，加工并组装测试装置和测控系统，采用GD414硅橡胶将薄膜铂电阻黏贴在高导热石墨膜和隔热块之间，胶层厚度控制在0.2～0.3mm之间，隔热块与主体结构之间采用J131胶粘结。
步骤二：启动直流电源，对激光器进行供电，调节激光器的位置，使激光器的光斑照射在坩埚中心区域，激光出口镜头据坩埚上表面距离控制在10mm～20mm，固定激光器后关闭直流电源。
步骤三：初步估计测试样品导热系数数量级，根据估计值选取与之相近的同类标准样品(或标准样品测试数据)，标准样品的数量依据实际情况决定，但一般不少于5种标准样品。液体、胶状和粉状样品需要盛放在坩埚内，坩埚采用纯铝坩埚，直径为5.4mm，高2.0mm，型号可参考美国TA Q20纯铝坩埚；固体易成型的样品，需要加工成 的样件。盛放标准样品的坩埚盖上表面或固体样品表面均喷涂Z306黑漆。
步骤四：开启测温系统，进行调试，确保其正常运行；
步骤五：取标准样品，将其盛放于坩埚内(固体样品直接放置于载物台指定位置)，样品须充满坩埚，采用干锅盖密封坩埚后将其放置在载物台中间的孔内。开启测温系统，温度稳定(温度5min变化量ΔT≤0.2℃)后开启直流电源和高精度时间继电器，对激光器供电，激光器对标准样品进行加热，通过时间继电器设定激光器的加热时间(加热时间一般为10s)，加热时间满足设定要求后自动断电，测温系统对全过程进行测温，保存数据。
步骤六：重复步骤五，完成所有标准样品的测试。
步骤七：重复步骤五，完成所有测试样品的测试。
步骤八：比较测温曲线，根据测温曲线判定测试样品热扩散性能的半定量值或比较测试样品的热扩散性能优劣。
步骤九：半定量快速测量材料热扩散性能的测量结果判定方法包括如下两种情形：
情形一：两种或几种测试样品对比测试，加热时间相同时刻温度测量值较高的样品其热扩散性性能较好，反之亦然。
情形二：测试样品与标准样品(或相同条件下的测试数据)对比测试，加热时间相同时刻测试样品的温度值若低于某标准样品，则说明测试样品热扩散性能低于该标准样品，反之亦然；若测试样品温度值在两个标准样品之间，则说明测试样品热扩散性能在两标准样品热扩散性能之间，测试的精度取决于两标准样品热扩散性能构成的数值范围宽度。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种半定量快速测量材料热扩散性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、组装实验设备：在固定支架上方安装激光器和载物台，并使得激光器位于载物台正上方，将激光器、高精度时间继电器、直流电源、数据采集器、计算机通过电源线连接起来；
S2、初步估计测试样品导热系数数量级，根据估计值选取与之相近的同类标准样品；
S3、启动直流电源，对激光器进行供电，调节激光器的位置，使激光器的光斑照射在坩埚中心区域，激光出口镜头距坩埚上表面距离控制在10mm～20mm，固定激光器后关闭直流电源；
S4、开启测温系统，进行调试，确保其正常运行；
S5、取标准样品，将其盛放于坩埚内，样品须充满坩埚，采用坩埚盖密封坩埚后将其放置在载物台中间的孔内，开启测温系统，温度稳定后，开启直流电源和高精度时间继电器，对激光器供电，激光器对标准样品进行加热，通过时间继电器设定激光器的加热时间，加热时间满足设定要求后自动断电，测温系统对全过程进行测温，保存数据；
S6、重复步骤S5，完成所有标准样品的测试；
S7、重复步骤S5，完成所有测试样品的测试；
S8、比较测温曲线，根据测温曲线判定测试样品热扩散性能的半定量值或比较测试样品的热扩散性能优劣；
所述载物台包括主体结构、坩埚、高导热石墨膜、隔热块和薄膜铂电阻测温传感器，所述薄膜铂电阻通过GD414硅橡胶黏贴在高导热石墨膜和隔热块之间，所述GD414硅橡胶的厚度为0.2～0.3mm，所述隔热块与主体结构之间采用J131胶粘结。
2.根据权利要求1所述的半定量快速测量材料热扩散性能的方法，其特征在于，所述标准样品为液体、胶状和粉状时，需要盛放在坩埚内，坩埚采用纯铝坩埚，直径为5.4mm，高2.0mm。
3.根据权利要求1所述的半定量快速测量材料热扩散性能的方法，其特征在于，所述的主体结构材质为环氧酚醛玻璃布层压板。
4.根据权利要求1所述的半定量快速测量材料热扩散性能的方法，其特征在于，所述的坩埚盖上表面喷涂有Z306黑漆，黑漆表面吸收率αs＝0.98±0.02，黑漆厚度为15μm～30μm。
5.根据权利要求1所述的半定量快速测量材料热扩散性能的方法，其特征在于，所述的高导热石墨膜厚度为120μm～150μm，面向导热系数≥50W/mK、厚度方向导热系数≥5W/mK。
6.根据权利要求1所述的半定量快速测量材料热扩散性能的方法，其特征在于，所述的隔热块材质为气凝胶复合材料。
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