CN113203768A - 一种基于激光加热的各向异性材料的热导率测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于激光加热的各向异性材料的热导率测试方法，包括如下步骤：选择各向异性平板，利用调节激光器在各向异性平板上表面的中心形成垂直的等强度圆形光斑；在各向异性平板的上表面和下表面分别对称选择多个测点；在预定功率下利用测温工具分别同时记录各向异性平板上下表面各个测点随时间变化的温度，依据测试所得温度数据和热导率计算公式及各个方向上的温度梯度，即可计算出各向异性平板在上表面各方向，及上表面至下表面方向上的热导率。本发明通过对各向异性平板上设置的对称测点，能够获取到由光斑至各测点的温度传递速度，进而根据传递速度可分别计算出各向异性平板不同方向上的热导率。

Description

一种基于激光加热的各向异性材料的热导率测试方法
技术领域
本发明涉及材料热导领域，特别是涉及一种基于激光加热的各向异性材料的热导率测试方法。
背景技术
热导率是材料的基本特性参数，目前常用的测量方法主要是稳定热板法和瞬态热线法(热探针法)。热线法的原理是通过测定热量沿着线形热探针向四周扩散而产生温度变化的梯度来确定材料在于探针垂直平面内的热导率。传统热线法主要是应用于各向同性材料的热导率测量，难以实现各向异性材料热导率的测量。对于各向异性材料的热导率的测量，只能采用仪器设备复杂、方法繁琐、试验周期长的热板法。另外材料热导率在不同温度下是变化的，对于材料高温下热导率的测量仍然是难点。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于激光加热的各向异性材料的热导率测试方法。
具体地，本发明提供一种基于激光加热的各向异性材料的热导率测试方法，包括如下步骤：
步骤100，选择激光器和预定尺寸的各向异性平板，通过衍射光学光束整形的方法将激光器直接输出的高斯光束整形为平顶圆形光斑，使其在各向异性平板上表面的中心形成垂直入射的等强度圆形光斑；
步骤200，在各向异性平板的上表面和下表面分别对称选择多个测点，且至少包含设置在对角线上的测点；
步骤300，逐步调节激光器的激光功率至预定功率，使各向异性平板升温但不破坏各向异性平板的表面，实时监测激光作用区温度，并利用闭环控制软件控制激光功率，使作用区温度低于材料的熔点；
步骤400，利用测温工具分别同时记录各向异性平板上下表面各个测点随时间变化的温度，根据温度记录描绘出当前激光功率下上表面和下表面各测点温度随时间变化的曲线，得到该各向异性平板在当前温度下不同方向的温度梯度；
步骤500，依据测试所得温度数据和热导率计算公式及各个方向上的温度梯度，即可计算出各向异性平板在上表面各方向，及上表面至下表面方向上的热导率。
本发明通过对各向异性平板上设置的对称测点，能够获取到由光斑至各测点的温度传递速度，进而根据传递速度可分别计算出各向异性平板不同方向上的热导率。利用不同的测温工具能够精确获取不同测点的温度变化，同时可避免影响各向异性平板的温度变化，提高测量精度。通过本方法能够在不损伤材料的情况下，得到材料的热导率，而且还能够得到材料的各向异性的温度变化悌度。
附图说明
图1是本发明一个实施方式的测试方法步骤示意图；
图2是本发明一个实施方式的测试装置结构示意图；
图3是本发明一个实施方式的试样夹持方式示意图；
图4是本发明一个实施方式的测点位置示意图；其中，(a)是本发明实施例中上表面测点位置示意图，(b)是下表面测点位置示意图；
图5是本发明实施例的红外测温仪记录的C/SiC平板上表面测点(Ua、Ub、Uc)温度变化曲线图；
图6是本发明实施例的红外测温仪记录的C/SiC平板上表面测点(Uc、Ucv、Ucs)温度变化曲线图；
图7是本发明实施例的C/SiC平板上表面中心(Ua)和下表面中心(Da)温度变化曲线图。
具体实施方式
以下通过具体实施例和附图对本方案的具体结构和实施过程进行详细说明。
如图1所示，在本发明的一个实施方式中，公开一种基于激光加热的各向异性材料的热导率测试方法，包括如下步骤：
步骤100，选择激光器和预定尺寸的各向异性平板，通过衍射光学光束整形的方法将激光器直接输出的高斯光束整形为平顶圆形光斑，使其在各向异性平板上表面的中心形成垂直入射的等强度圆形光斑；
如图2所示，用于测量各向异性平板5的测试装置包括激光器1，对激光器发出的激光束2进行调整的衍射光学整形器3，调整为等强度的圆形光斑4；其中激光束2的高斯光束强度分布如图中6所示，而圆形光斑的光束强度分布如图中7所示。
如图3所示，各向异性平板5采用夹具8进行固定，以避免散失温度。这里选用的各向异性平板5的尺寸为200mm*200mm*5mm。
其中等强度的圆形光斑4是通过调节激光束2的空间强度变换后获得的，使圆形光斑4中的激光温度一致，以方便后期测量。圆形光斑4的范围可控制在5～20mm之间。
步骤200，在各向异性平板的上表面和下表面分别对称选择多个测点，且至少包含设置在对角线上的测点；
这里的测点对称是以圆形光斑4的中心作为平面坐标系原点后的对称。
测点可根据材料结构和预测的温度梯度方向布置，但至少包括设置在以圆形光斑4中心为坐标原点的四个方向上的测点，即由原点延伸出的四条线方向，及相对坐标系原点的对角线方向上的测点，即相当于是穿过原点后在45度、135度方向上测点；四个方向上及对角线上的测点分别采用位置对称的方式设置，即无论设置多少测点，各测点相对坐标系原点都是对称分布的。
此外，在各向异性平板的下表面同样按前述方式设置与上表面上各测点位置完全对应的测点。
具体的测点可仅在四个方向上和两条对角线上分别设置一个对称测点，也可以按一定距离间隔在各方向上设置多个测点。
步骤300，逐步调节激光器的激光功率至预定功率，使各向异性平板升温但不破坏各向异性平板的表面，实时监测激光作用区温度，并利用闭环控制软件控制激光功率，使作用区温度低于材料的熔点；
这里的预定功率是指计算要求的某个温度，或一系列的阶梯温度，如各向异性平板5的最高耐受温度为1300度，则预定温度可以是600度，800度或1200度，也可以是依次在600度、800度、1200度时依次测量。
各向异性平板5在受到激光照射后，其圆形光斑4处温度会逐步升至预定温度，同时该温度会以圆形光斑4为中心向四周传递。
步骤400，利用测温工具分别同时记录各向异性平板上下表面各个测点随时间变化的温度，根据温度记录描绘出当前激光功率下上表面和下表面各测点温度随时间变化的曲线，得到该各向异性平板在当前温度下不同方向的温度梯度；
具体使用的测温工具包括用于同时测量各向异性平板5上表面所有测点的非接触式红外测温仪，和同时测量各向异性平板5下表面所有测点的热电偶。采用红外测温仪可以在不接触各向异性平板5的情况下，通过垂直各测点的方式获取各测点处的温度，避免影响激光照射，及防止各向异性平板5上表面的温度向测温工具传递，减少测量误差。
在红外测温仪获取各向异性平板5上表面各测点的温度前，需要对红外测温仪进行标定，以减少测量误差，标定过程是：先以热电偶对上表面指定测点的温度进行测量，然后利用红外测温仪获取该测点的温度(或是两者同时对同一个测点进行测温)，进而根据两者的温度差调整红外测温仪的红外发射率，直至红外测温仪测量的测点温度与热电偶测量的温度相同。
步骤500，依据测试所得温度数据和热导率计算公式及各个方向上的温度梯度，即可计算出各向异性平板在上表面各方向，及上表面至下表面方向上的热导率。
其中各个方向是指以圆形光斑4的圆心为原点的平面坐标系的四个方向，还包括同一个测点由上表面至下表面处的方向，即Z轴方向。
热导率计算公式为：
Figure BDA0003019728600000051
其中，x为热流方向,qx为该方向上的热通量，单位为W/m2。
Figure BDA0003019728600000052
为该方向上的温度梯度，单位是K/m。
在前述公式下，X、Y、Z方向上的热导率计算公式如下：
Figure BDA0003019728600000061
Figure BDA0003019728600000062
Figure BDA0003019728600000063
本实施方式通过对各向异性平板上设置的对称测点，能够获取到由光斑至各测点的温度传递速度，进而根据传递速度可分别计算出各向异性平板不同方向上的热导率。利用不同的测温工具能够精确获取不同测点的温度变化，同时可避免影响各向异性平板的温度变化，提高测量精度。通过本方法能够在不损伤材料的情况下，得到材料的热导率，而且还能够得到材料的各向异性的温度变化悌度。
以下以具体实施例对本发明的方法做具体说明。
选取双轴各向异性且耐高温900～1200K的C/SiC平板，来计算其热导率。
一、试验装置及主要技术参数
1、激光加热器为：Nd:YAG连续激光器，其波长1.064μm，功率1kW；
2、接触测温采用K型热电偶，测量范围-200～1300℃；
3、非接触测温采用红外测温仪：测温范围：100～2000℃。
二、等强度光斑的实现
采用激光束空间变换元件实现等强度分布激光束，在C/SiC平板的上表面利用激光形成直径为10mm的等强度光斑。
三、C/SiC板表面发射率标定
C/SiC板发射率标定：利用热电偶来标定红外测温仪设置的发射率，两者测量位置关于激光光斑中心对称；采用适当的激光功率、激光光斑大小及加热时间，对试样进行加热，不断调整单色红外发射率，使其与双色红外测温仪的测温数据一致。
四、C/SiC板温度场测试
1、同时利用红外测温仪分别测量激光作用下光斑中心温度，激光光斑区域内温度(测点分别位于中线及对角线上)，和激光光斑区域外温度(测点分别位于中线及对角线上)；利用红外电偶同时测量前述对应测点的温度。如图4所示，其中(a)中的a为Ua(中心点)，b为Ub(距中心5mm)，c为Uc(距中心7.5mm)，d为Ucv(Uc顺时针转90°)，e为Ucs(Uc顺时针旋转45°)；(b)中a`为Da(中心点)，b`为Db(距中心5mm)，c`为Dc(距中心7.5mm)，d`为Dcv(Dc顺时针转90°)，e`为Dcs(Dc顺时针旋转45°)。
2、采用适当的激光功率、激光光斑大小及加热时间，对试样进行加热，记录加热阶段及冷却阶段的温度数据；该过程可利用红外测温仪和热电偶重复对同一温度测量多次，最终采用测量的平均值；
具体的实验参数如下：各向异性材料C/SiC传热试验(激光光斑半径5mm)中，试样尺寸200mm*200mm*5mm，激光功率为240W，加热时长30s，环境温度为26.50℃，相对湿度为60％，相对气压为1019.1hPa。试验记录所得正面及背面温度变化曲线如图5、6、7所示。
五、根据以上测试结果，通过热导率计算公式(傅里叶定律)分别计算出各向异性材料C/SiC在X、Y、Z方向上的热导率；
Figure BDA0003019728600000071
Figure BDA0003019728600000081
Figure BDA0003019728600000082
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (8)

1.一种基于激光加热的各向异性材料的热导率测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤100，选择激光器和预定尺寸的各向异性平板，通过衍射光学光束整形的方法将激光器直接输出的高斯光束整形为平顶圆形光斑，使其在各向异性平板上表面的中心形成垂直入射的等强度圆形光斑；
步骤200，在各向异性平板的上表面和下表面分别对称选择多个测点，且至少包含设置在对角线上的测点；
步骤300，逐步调节激光器的激光功率至预定功率，使各向异性平板升温但不破坏各向异性平板的表面，实时监测激光作用区温度，并利用闭环控制软件控制激光功率，使作用区温度低于材料的熔点；
步骤400，利用测温工具分别同时记录各向异性平板上下表面各个测点随时间变化的温度，根据温度记录描绘出当前激光功率下上表面和下表面各测点温度随时间变化的曲线，得到该各向异性平板在当前温度下不同方向的温度梯度；
步骤500，依据测试所得温度数据和热导率计算公式及各个方向上的温度梯度，即可计算出各向异性平板在上表面各方向，及上表面至下表面方向上的热导率。
2.根据权利要求1所述的热导率测试方法，其特征在于，
所述各向异性平板的尺寸为200mm*200mm*5mm。
3.根据权利要求1所述的热导率测试方法，其特征在于，
等强度的所述圆形光斑是通过调节激光光束的空间强度变换后获得的。
4.根据权利要求1所述的热导率测试方法，其特征在于，
所述测温工具包括用于同时测量所述各向异性平板上表面所有测点的非接触式红外测温仪，和同时测量所述各向异性平板下表面所有测点的热电偶。
5.根据权利要求1所述的热导率测试方法，其特征在于，
所述红外测温仪在获取所述各向异性平板上表面各测点的温度前，需要对所述红外测温仪进行标定，标定过程是：先以热电偶对上表面指定测点的温度进行测量，然后利用所述红外测温仪获取该测点的温度，进而根据两者的温度差调整红外测温仪的红外发射率，直至红外测温仪测量的测点温度与热电偶测量的温度相同。
6.根据权利要求1所述的热导率测试方法，其特征在于，
所述测点的对称是以所述光斑的中心作为平面坐标系的原点后的对称。
7.根据权利要求6所述的热导率测试方法，其特征在于，
所述测点根据材料结构和预测的温度梯度方向布置，至少包括设置在以所述光斑中心为坐标原点的四个方向上的测点，和相对坐标系原点的对角线方向上的测点，四个方向上及对角线上的测点分别采用位置对称的方式设置，且所述各向异性平板的上表面和下表面上的测点位置相互对应。
8.根据权利要求1所述的热导率测试方法，其特征在于，
所述热导率计算公式为：
Figure FDA0003019728590000021
其中，x为热流方向,qx为该方向上的热通量，单位为W/m2。
Figure FDA0003019728590000022
为该方向上的温度梯度，单位是K/m。
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