CN110133043A - 测量固态材料热导率的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种测量固态材料导热率的方法及系统，能够对固态材料导热率进行非接触性测量，测量过程简单，并且抗干扰能力强，结果可靠性高。本发明所提供的测量固态材料导热率的方法，其特征在于，包括：将被测样品安装在固定装置的安装孔内，并将安装孔正对激光器的一面用石英玻璃透镜盖住；将激光器对准被测样品正面的圆心处发射激光束进行持续加热；采用红外热像仪实时监测被测样品正面的温度分布情况；采用计算机对红外热像仪监测到的温度分布情况数据进行处理和分析，得到被测样品的正面在不同方向上的温度变化，进而计算得到被测样品的热导率，其中，被测样品正面为被测样品正对激光器的那一侧面。

Description

测量固态材料热导率的方法及系统
技术领域
本发明属于材料导热系数测量领域，具体涉及一种测量固态材料热导率的方法及系统。
背景技术
固体材料的导热系数是表征材料热学性能和力学性能的一个重要指标，尤其是一些在高温下应用的材料，如耐火材料、金属材料、陶瓷材料和玻璃材料等，其导热系数对其使用性能有重要影响。因此，精确测试固体材料的导热系数，对于研究机构和企业开发新材料、使用新材料具有重要意义。
固体材料导热系数的常用测试方法包含两类：其一是稳态法，原理是将样品加热到热平衡状态，测量此时试样内的温度分布，然后通过傅里叶导热定律公式计算导热系数。例如平板法就是典型的稳态法，但是稳态法普遍存在测量周期长，可测温度范围小的缺点，当测量温度超过一定值后，外界环境对试样的影响将会变得非常大。其二是非稳态法，其特点是测试过程中，试样上的温度分布一直在变化，是非稳态。非稳态法中最经典的方法就是激光闪光法，这种虽然大大缩短了测量周期，但也受到材料边界热损耗，激光的非均匀照射，炉温的波动等影响，都会导致测试结果偏离理想状况。
根据上述方法介绍，稳态法具有测量简便，装置简单，测量温度范围较宽的优点，但测量周期过长，样品内温度不易测量，这些缺点严重影响测量精度；非稳态法具有测量精度较高，测量周期短的优点，但测量结果极易受到外界环境因素的影响。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种测量固态材料热导率的方法及系统，能够对固态材料导热系数进行非接触性测量，测量过程简单，并且抗干扰能力强，结果可靠性高。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
<方法>
本发明提供一种测量固态材料热导率的方法，其特征在于，包括：将被测样品安装在固定装置的安装孔内，并将安装孔正对激光器的一面用石英玻璃透镜盖住；将激光器对准被测样品正面的圆心处发射激光束进行持续加热；采用红外热像仪实时监测被测样品正面的温度分布情况；采用计算机对红外热像仪监测到的温度分布情况数据进行处理和分析，得到被测样品的正面在不同方向上的温度变化，进而计算得到被测样品的热导率，其中，被测样品正面为被测样品正对激光器的那一侧面。
本发明所涉及的测量固态材料热导率的方法，还可以具有这样的特征：红外热像仪监测到的温度分布情况数据为被测样品的正面在不同方向上，各个点的实时温度数据。
本发明所涉及的测量固态材料热导率的方法，还可以具有这样的特征：被测样品的厚度为0.5～1mm。
本发明所涉及的测量固态材料热导率的方法，还可以具有这样的特征：被测样品为圆片状。
本发明所涉及的测量固态材料热导率的方法，还可以具有这样的特征：被测样品不接触安装孔的内壁，仅通过设置在安装孔周面上的安装件进行定位。
本发明所涉及的测量固态材料热导率的方法，还可以具有这样的特征：基于温度分布情况数据，通过试样表面的温度梯度和空间距离，根据傅里叶导热定律计算热导率λ，公式为：
式中，是根据origin作的曲线图，通过添加趋势线的方式得到，为趋势线的斜率；而q可用激光的功率除以圆片面积得到。
<系统>
本发明还提供一种测量固态材料热导率的系统，其特征在于，包括：固定装置，设有用于安装被测样品的安装孔，并且在安装孔正对激光器的一面设有用于盖合的石英玻璃盖；激光器，对准被测样品正面的圆心处发射激光束，进行持续加热；红外热像仪，实时监测被测样品正面的温度分布情况；以及计算机，对红外热像仪监测到的温度分布情况数据进行处理和分析，得到被测样品的正面在不同方向上的温度变化，进而计算得到被测样品的热导率。
本发明还提供一种测量固态材料热导率的系统，其特征在于，还包括：导轨平台，与激光器相配合，用于让激光器沿着导轨进行移动，进而调整激光器与被测样品之间的相对位置。
发明的作用与效果
本发明所提供的测量固态材料热导率的方法及系统，采用激光加热样品和红外热成像法，并且对各向同性的材料来说，各个方向上的热导率是相同的，本发明舍弃采用测量样品两面温度来获得内部温度梯度的方法，只测量样品一面的温度，从而获得样品二维表面的温度梯度，与现有技术相比具有如下有益效果：
1.本发明利用激光对试样上一极小点进行持续加热，由于激光是直接作用于样品，没有任何机械装置作用于样品测试端面，因而保证了单一热源，其重复度、精度都可以达到很好水平。
2.本发明利用激光对试样上一极小点进行持续加热，由于激光是高强度光，试样表面温度分布很快达到稳态，提高了测量效率，降低了外界环境波动对测量过程的影响。
3.本发明利用激光对试样上一极小点进行持续加热，由于激光是高方向性光，通过聚焦后可保证试样加热点周围无外界加热，提高了测量精度。
4.本发明可同时分析试样表面不同路径上的导热系数差异，这是目前传统测量方法无法实现的功能。
5.本发明利用样品二维表面的温度梯度进行计算，得到热导率。相对于传统方法需要测量试样内部的温度，表面温度的测量难度要小的多，连续性也更好。
6.本发明测量精度和重复度高，测量范围大。相对于传统测量方法，在不引入其他误差来源的前提下，解决了稳态法测量时间长，可测温度范围小的缺点。可以测量的温度范围从0～3000℃，可以测量的导热系数范围从0.1～2000W/m*K，重复度误差<2％。
7.本发明对样品尺寸、形状、表面质量要求低。只要是能够放进固定样品的圆柱孔，无论圆柱状、方柱状、块样、球体都可以测试其导热系数，同时对测试端表面光洁度要求也很低，可以测试粗糙表面。
8.本发明装置结构简单，操作简便，非常适用于科研机构和企业对固态材料进行导热系数分析。
附图说明
图1是本发明实施例中涉及的测量固态材料热导率的系统的结构示意图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明所涉及的测量固态材料热导率的方法及系统作详细阐述。
<实施例>
如图1所示，测量固态材料热导率的系统10包括固定装置11、激光器12、导轨平台(图中未显示)、红外热像仪13以及计算机14。
固定装置11包括支架111和安装部112。安装部112固定在支架111上，并可沿着支架111上下移动调整和固定位置。安装部112中设有用于安装被测样品S的安装孔112a，并且在正对激光器12的一面设有用于盖合安装孔112a的石英玻璃盖112b。本实施例中，安装孔112a为圆柱体形状，被测样品S可通过安装孔112a四周的螺丝钉悬空固定，不与安装孔112a的内壁相接触，并且安装孔112a内采用隔热材料。本实施例中，采用的被测样品为圆片状，厚度为0.5～1mm，直径为20mm。
激光器12用于对准被测样品S正面的圆心处发射激光束，进行持续加热。
导轨平台与激光器12相配合，用于让激光器12沿着导轨进行移动，进而调整激光器12与被测样品S之间的相对位置。本实施例中，导轨平台具有前后两个活动自由度调整激光器12的位置，移动精度高于±1微米。
红外热像仪13用于实时监测被测样品S正面的温度分布情况。
计算机14与红外热像仪13通过数据线连接，对红外热像仪13监测到的温度分布情况数据进行处理和分析，得到被测样品S的正面在不同方向上的温度变化，进而计算得到被测样品S的热导率。
本实施例中，计算机14对温度分布情况数据进行处理，结合Testo IRSoft软件得到相应的热像图和各个点的温度信息，然后对各个点的温度信息进行数据拟合，处理得到测试样品不同方向的温度变化，进而计算得到测试样品的热导率。
以上是本系统的具体结构，下面对采用该系统来测量固态材料热导率的方法进行说明。
本实施例提供的测量固态材料热导率的方法包括：
步骤1.将被测样品S安装在固定装置11的安装孔112a内，并将安装孔112a正对激光器12的一面用石英玻璃盖112b盖住；
步骤2.将激光器12对准被测样品S正面的圆心处发射激光束，激光束通过石英玻璃盖112b聚焦于被测样品S的圆心点处，对被测样品S进行加热；经过短暂的激光加热，被测样品S表面温度达到稳态。
步骤3.调整激光器12距离，激光器12与样品之间的距离既要保证激光对试样的有效加热，又要激光器12不过于贴近样品，使激光器12在50℃以内的环境温度中工作。
步骤4.采用红外热像仪13实时监测被测样品S正面的温度分布情况；测量需在稳态条件下进行。
步骤5.采用计算机14对红外热像仪13监测到的温度分布情况数据进行处理和分析，得到被测样品S的正面在不同方向上的温度变化，进而计算得到被测样品S的热导率.
本实施例中，红外热像仪13监测到的温度分布情况数据为被测样品S的正面在不同方向上，各个点的实时温度数据。
基于温度分布情况数据，通过被测样品S正面的温度梯度和空间距离，根据傅里叶导热定律计算热导率λ，公式为：
式中，是根据origin作的曲线图，通过添加趋势线的方式得到，为趋势线的斜率；而q可用激光的功率除以圆片面积得到。
需要特别强调的是，本实施例中是采用被测样品S正面对激光的表面上的温度分布计算热导率，而不是通过样品上下表面的温度变化去计算热导率。另外，为了进一步提高测试精度，可以通过多路径计算与取平均值。
上述实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的测量固态材料热导率的方法及系统并不限定于在以上实施例中所描述的结构，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明所要求保护的范围内。

Claims (8)

1.一种测量固态材料热导率的方法，其特征在于，包括：
将被测样品安装在固定装置的安装孔内，并将安装孔正对激光器的一面用石英玻璃透镜盖住；
将激光器对准被测样品正面的圆心处发射激光束进行持续加热；
采用红外热像仪实时监测被测样品正面的温度分布情况；
采用计算机对红外热像仪监测到的温度分布情况数据进行处理和分析，得到被测样品的正面在不同方向上的温度变化，进而计算得到被测样品的热导率，
其中，被测样品正面为被测样品正对激光器的那一侧面。
2.根据权利要求1所述的测量固态材料热导率的方法，其特征在于：
其中，红外热像仪监测到的温度分布情况数据为被测样品的正面在不同方向上，各个点的实时温度数据。
3.根据权利要求1所述的测量固态材料热导率的方法，其特征在于：
其中，被测样品的厚度为0.5～1mm。
4.根据权利要求1所述的测量固态材料热导率的方法，其特征在于：
其中，被测样品为圆片状。
5.根据权利要求1所述的测量固态材料热导率的方法，其特征在于：
其中，被测样品不接触安装孔的内壁，仅通过设置在安装孔周面上的安装件进行定位。
6.根据权利要求1所述的测量固态材料热导率的方法，其特征在于：
其中，基于温度分布情况数据，通过试样表面的温度梯度和空间距离，根据傅里叶导热定律计算热导率λ，公式为：
式中，是根据origin作的曲线图，通过添加趋势线的方式得到，
为趋势线的斜率；而q可用激光的功率除以圆片面积得到。
7.一种测量固态材料热导率的系统，用于权利要求1至5中任意一项所述的方法中，其特征在于，包括：
固定装置，设有用于安装被测样品的安装孔，并且在安装孔正对激光器的一面设有用于盖合的石英玻璃盖；
激光器，对准被测样品正面的圆心处发射激光束，进行持续加热；
红外热像仪，实时监测被测样品正面的温度分布情况；以及
计算机，对红外热像仪监测到的温度分布情况数据进行处理和分析，得到被测样品的正面在不同方向上的温度变化，进而计算得到被测样品的热导率。
8.根据权利要求1所述的测量固态材料热导率的系统，其特征在于，还包括：
导轨平台，与激光器相配合，用于让激光器沿着导轨进行移动，进而调整激光器与被测样品之间的相对位置。
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