瞬態(tài)平面熱源技術(shù)

瞬態(tài)平面熱源法測定材料熱物性的原理是基于無限大介質(zhì)中階躍加熱的圓盤形熱源產(chǎn)生的瞬態(tài)溫度響應。利用熱阻性材料做成一個平面的探頭，同時作為熱源和溫度傳感器。鎳的熱阻系數(shù)--溫度和電阻的關(guān)系呈線性關(guān)系，即通過了解電阻的變化可以知道熱量的損失，從而反映樣品的導熱性能。Hotdisk探頭采用導電金屬鎳經(jīng)刻蝕處理后形成的連續(xù)雙螺旋結(jié)構(gòu)的薄片，外層為雙層的聚酰亞胺(Kapton)保護層，厚度只有0.025mm，它令探頭具有一定的機械強度并保持與樣品之間的電絕緣性。在測試過程中，探頭被放置于中間進行測試。電流通過鎳時，產(chǎn)生一定的溫度上升，產(chǎn)生的熱量同時向探頭兩側(cè)的樣品進行擴散，熱擴散的速度依賴于材料的熱傳導特性。通過記錄溫度與探頭的響應時間，由數(shù)學模型可以直接得到導熱系數(shù)和熱擴散率，兩者的比值得到體積比熱。

初始測試時，在Kapton涂層上會產(chǎn)生很小的溫度下降，經(jīng)過很短的，由于輸出功率是恒定的，溫度的下降將保持恒定。探頭的電阻變化可用下式表示。

R(t)=Ro[1+α△Ti+α△T(τ)] (1)

其中

Ro:探頭在瞬間記錄前的電阻;

α:電阻溫度系數(shù)(TCR);

△Ti:薄膜保護層中的溫差(由于保護層非常薄，在很短時間內(nèi)可以把△Ti看作是定值);

△T(τ):與試樣處于理想完全接觸時探頭平均溫升。

而△T(τ)可以表示為:

△T(τ)=QD(τ)/(λroπ^3/2) (2)

其中:

Q:恒定輸出功率;

ro:探頭半徑;

λ:被測樣品導熱系數(shù)，即我們要求的值;

D(τ):無因此時間函數(shù)。

假設R*=Ro(1+α△Ti), K=αRoQ/(λroπ^3/2)，將(2)式代入(1)式得:

R(t)=R* + K D(τ) (3)

將測得的電阻值R(t)對D(τ) 作圖得到一條直線，截距是C。通過反復變換特征時間θ擬合，使R(t)對D(τ)的 得直線相關(guān)性達到最大，此時導熱系數(shù)便可以由直線的斜率K計算得出。

在研究材料時能夠同時測量熱導率、熱擴散率以及單位體積的熱容。這種方法采用一個瞬間熱平面探頭，在大多數(shù)應用中被稱之為Hot Disk熱常數(shù)分析儀。瞬態(tài)平面熱源技術(shù)在國內(nèi)正在被越來越多地研究人員應用于各種不同類型材料的熱物性的測試。