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激光导热仪 LFA 原理

2020.4.16

一、概述

材料的导热性能测试方法众多，大体可分为稳态法与瞬态法两大类。其中稳态法（包括热流法、保护热流法、热板法等）根据 Fourier 方程直接测量导热系数，但温度范围与导热系数范围较窄，主要适用于在中等温度下测量中低导热系数材料。瞬态法则应用范围较为宽广，尤其适合于高导热系数材料以及高温下的测试，其中发展最快、最具代表性、得到国际热物理学界普遍承认的方法是闪光法（ Flash Method ，有时也称为激光法，激光闪射法）。

闪光法所要求的样品尺寸较小，测量范围宽广，可测量除绝热材料以外的绝大部分材料，特别适合于中高导热系数材料的测量。除常规的固体片状材料测试外，通过使用合适的夹具或样品容器并选用合适的热学计算模型，还可测量诸如液体、粉末、纤维、薄膜、熔融金属、基体上的涂层、多层复合材料、各向异性材料等特殊样品的热传导性能。

闪光法相关测量标准：

ASTM E-1461 ： Standard Test Method for Thermal Diffusivity of Solids by the FlashMethod

DIN EN 821

DIN 30905

二、原理

闪光法直接测量的是材料的热扩散系数，其基本原理示意如下：

图中在一定的设定温度 T （由炉体控制的恒温条件）下，由激光源或闪光氙灯在瞬间发射一束光脉冲，均匀照射在样品下表面，使其表层吸收光能后温度瞬时升高，并作为热端将能量以一维热传导方式向冷端（上表面）传播。使用红外检测器连续测量样品上表面中心部位的相应温升过程，得到类似于下图的温度（检测器信号）升高对时间的关系曲线：

在理想情况下，光脉冲宽度接近于无限小，热量在样品内部的传导过程为理想的由下表面至上表面的一维传热、不存在横向热流，外部测量环境则为理想的绝热条件、不存在热损耗（此时样品上表面温度升高至图中的顶点后将保持恒定的水平线），则通过计量图中所示的半升温时间 t50 （定义为在接受光脉冲照射后样品上表面温度（检测器信号）升高到最大值的一半所需的时间，或称 t1/2 ），由下式：

α = 0.1388 * d2 / t50 （ d: 样品的厚度）

即可得到样品在温度 T 下的热扩散系数α。

对于实际测量过程中对理想条件的任何偏离（如边界热损耗、样品表面与径向的辐射散热、边界条件或非均匀照射导致的径向热流、样品透明／半透明而表面涂覆不够致密导致的部分光能量透射或深层吸收、 t50 很短导致光脉冲宽度不可忽略等），需使用适当的数学模型进行计算修正。

由于导热系数（热导率）与热扩散系数存在着如下的换算关系：

λ (T) = α (T) * Cp (T) * ρ (T)

在已知温度 T 下的热扩散系数α、比热 Cp 与密度ρ的情况下便可计算得到导热系数。其中密度一般在室温下测量，其随温度的变化可使用材料的线膨胀系数表进行修正（同时修正样品厚度随温度的变化），在测量温度不太高、样品尺寸变化不太大的情况下也可近似认为不变。比热可使用文献值、可使用差示扫描量热法（ DSC ）等其他方法测量，也可在闪光法仪器中使用比较法与热扩散系数同时测量得到。对于比较法的原理简述如下：

使用一个与样品截面形状相同、厚度相近、热物性相近、表面结构（光滑程度）相同且比热值已知的参比标样（以下简写为 std ），与待测样品（以下简写为 sam ）同时进行表面涂覆（确保与样品具有相同的光能吸收比与红外发射率），并依次进行测量，在理想的绝热条件下，得到如下的两条测试曲线：