热衍率与激光闪光方法

在激光闪光法中，将具有平面、平行顶部和底部表面的样品放置在密封炉内的受控环境中（空气、氧气、气态、氮气等）。样品通常是直径为 6mm 至 25.4mm、厚度介于 1mm 和 4mm 之间的薄盘。功率约为 15 J/脉冲的激光器可为样品底部表面提供瞬时能量脉冲。红外探测器位于样品的顶面上方;该探测器记录每个激光脉冲后样品顶面的温度变化。激光脉冲和由此产生的温度变化数据记录在 -120°C 至 2800°C 范围内，用于设定温度测量点，具体取决于仪器。在每次测量之间，允许样品的温度平衡。LFA 可在粉末、液体、散装、复合、分层、多孔和半透明样品上运行（根据样品类型可能需要进行一些修改）。

所得数据以热图的形式呈现，并用于分析性一维热传输模型，该模型假定样品不均匀、均质和最小径向热损失。这些模型还假定热特性和样品密度在测量的温度范围内保持不变。与模型假设的实验偏差通常需要修正计算。

有几个数学模型用于从激光闪光方法的结果中获得热扩散性。原始模型（Park 的理想模型）涉及求解具有边界条件的微分方程，该边界条件假定恒定温度，并且测量期间系统不会热量逸出。这两种假设都是真实测量的错误假设。Netzsch LFA 457 通常使用考恩模型运行。该模型纠正了理想模型;它考虑了能量和热量损失，为许多不同的材料扫描提供了更准确的拟合。此型号用于铁标准材料。

图 1、2 和图 3 显示了铁标准样本的 LFA 运行数据。图 1 和图 2 显示了两个温度（48.2°C 和 600°C）的激光脉冲与时间图;蓝色轨迹显示从铁样品收集的激光脉冲，细红线显示来自 Cowan 模型的计算脉冲。两种温度脉冲都非常适合模型，因为这是定义良好的标准材料。通常，实验计算的值在高温下最符合 Cowan 模型，如在低温下激光脉冲的模型轨迹偏差较大（图 1） 与高温（图 2）。低温与该标准材料的模型相对适用，但偏差大于高温结果，因为在每个脉冲之间允许的均衡时间内可能无法达到较低的设定温度。图 2中的每个数据点（红色圆圈）表示一个激光脉冲;数据点越接近 Cowan 模型，生成的热扩散值就越好、越准确。

图1:在LFA 457中，激光信号与48.2°C的时间图为铁标准运行。蓝色轨迹表示激光击中样品的信号。细红线表示 Cowan 模型的计算脉冲。

图2:在LFA 457中，激光信号与时间图在600.6°C时为铁标运行。蓝色轨迹表示激光击中样品的信号。细红线表示 Cowan 模型的计算脉冲。

图 3:在 LFA 457 中运行的铁标准盘的热扩散率 （+） 与温度图。每个红色圆圈表示一个激光脉冲。

激光闪光法是一种广泛使用的热扩散率技术，它包括用热能（来自激光源）辐射样品的一侧，并在另一侧放置红外探测器来拾取脉冲。不同型号的温度范围广泛，可测量各种类型的样品。LFA 需要相对较小的样本。直接测量导热性（而非热扩散率）的其他工具包括保护热板、热流计等。保护热板系统可以容纳相对较大的方形样品（300mm x 300mm），需要仔细校准，以计算导热性计算所需的热通量。这两种工具都不能测量高温热扩散率，通常工作温度低于 250^oC。

热扩散性是一个重要属性，在为涉及热流或对热波动敏感的任何应用选择合适的材料时，需要了解。例如，具有扩散性的导热性在绝缘中也起着重要的作用。在选择用于绝缘的材料时，能够测量和比较不同材料的热性能非常重要。这些热特性在航空航天领域更为关键。热保护砖在航天器成功重返大气层中起着重要作用。当进入大气层时，航天器暴露在极高的温度下，在没有保护层的情况下会融化、氧化或燃烧。热保护瓷砖通常由纯硅玻璃纤维制成，具有微小的充满空气的孔隙。这两个组件具有低导热性，因此最大限度地减少了瓷砖的热通量。具有高孔隙度的材料的导热性（）可以通过以下Maxwell的关系来计算:
 （公式 2）