使用激光闪光法进行热分析

       凭借高速和高精度，激光闪光法已成为热分析中评估材料热性能（如热导率和扩散率）的流行且有效的工具。因此，研究人员可以更好地了解材料的传热特性和各种材料的热响应。

背景和历史

   热分析在现代工业中变得越来越重要。例如，它在开发用于现代小型化电子产品的散热材料、用于能源效率的热电和绝缘材料、涡轮叶片的保护涂层以及确保核电站的安全运行方面发挥着至关重要的作用。

       Parker等人于1961年引入的激光闪光法已发展成为热分析中最受欢迎的技术之一。该方法通过分析样品在暴露于短暂的辐射能后的热响应来确定样品的热特性。

激光闪光法如何用于热分析？

  热分析中的激光闪光方法涉及将样品的正面暴露在短暂的激光能量爆发下，导致内部温度升高并产生热梯度。

  然后测量样品背面的热流，直到样品达到热稳定性。在热稳定性下，绘制时间-温度图以确定热扩散率。

      Parker等人推导出了一个公式，使用半上升时间（t*）计算热扩散系数（α），这是温度达到其最大值的一半所花费的时间：

α=0.1388 Δx²/t*

       Δx = 材料厚度。热导率 （k） 由以下公式计算：

k=α.ρ.c_p

c_p是比热，ρ是质量密度。

激光闪光法的优点

  光闪光法与热流量计和保护热板法不同，因为它基于非定常温度分布而不是稳态。

  激光闪光法是高温下评估陶瓷和金属的首选方法。它可以在 -0 °C 至 1 °C 以上的宽温度范围内测定 1000.150 W/（mK） 至 2500 W/（mK） 以上的热导率。

  它提供快速、无损的评估，需要从低电导率到高电导率的小样本量（直径 6 至 18 mm）。虽然它需要精密加工，但它的测试时间相对较短（几毫秒），这使其成为测试高导电材料的理想选择。

激光闪光法的缺点

  能量分布不均匀的激光束或吸收热能不均匀的样品可能无法提供不准确的样品扩散率测量值。这种影响在薄膜中被显着放大。

  样品与其周围环境之间的热传递是不可避免的，通常通过辐射和对流发生。然而，它会导致测量温度的波动，这增加了数学建模的复杂性。

  有限脉冲时间效应发生在激光脉冲发射特定持续时间而不是瞬间发射时。这种效应需要很长时间才能观察到样品中的温度变化。

LFA 1000 激光闪光仪

      1000 是一种流行的激光闪光设备，用于计算热导率、热扩散率和比热。

  其快速转盘可在一次实验中检查多达六个样品。其三个可互换的烘箱可在 -125°C 至 1600°C 的温度范围内进行测量。

  它的设计将硬件和电子设备分开，并为检查放射性物质提供了一个隔离区域。

研究与开发

  电磁干扰或探测器引起的测量噪声增加了热评估值的不确定性。Artem Lunev和Robert Heymer在《科学仪器评论》上发表了一项研究，他们提出通过非线性优化技术和有限差分解决方案的组合来降低激光闪光分析的测量不确定性。这种方法允许更精确地确定热性能，尽管测量噪声很大。

  在发表在《国际热物理学杂志》上的一项研究中，Simon Breuer和Frank R. Schilling提出通过考虑探测器的延迟响应来提高热扩散率测量的准确性。根据研究人员的说法，即使使用有限的脉冲时间效应校正算法，由于电子元件和探测器引起的额外时间延迟，测量仍可能包含显着的系统误差。

  如果不考虑这种额外的延迟，可能会导致与有限脉冲时间效应一样大的误差。为了减少这些误差，特别是在处理具有高热扩散率的薄膜和材料时，考虑实际激光脉冲形状并包括探测器延迟影响的数据评估程序是一种可行的解决方案。

结束语

  激光闪光技术可有效评估各向同性固体材料的热扩散率和导热系数。但是，当应用于不符合理想条件的材料时，结果可能会有明显的偏差，因此在解释数据时要谨慎。

  因此，建议进行彻底的测试并仔细考虑该方法的局限性，以最大限度地发挥使用激光闪光进行热分析的好处。