瞬態(tài)平面熱源技術(shù)分析

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(yīng)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(yīng)用于各種不同類型材料的熱物性的測試。

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(yīng)。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(yīng)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(shè)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(fù)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。