导热系数测试-激光闪射法 >> 测试项目案例

美信检测 失效分析实验室

背景：

导热系数是表征材料热传导能力的重要物理参数，是工程材料尤其是窑炉材料的热物理特性之一。在研究和开发新型耐火材料时，研究人员都很重视导热系数这项技术指标，并在冶金工程材料、建筑中作为选择材料的重要依据之一。所以，准确测定材料的导热系数至关重要。目前国内测定耐火材料导热系数通常采用平板法和热线法。但这两种方法均存在测量精度不高，测量范围较窄等不足。1961年，Parker等开始了利用激光脉冲技术测量材料的热物理性能的研究，由于这种技术具有测量精度高、测试周期短和测试温度范围宽等优点，得到广泛的研究和应用，经过不断发展和完善，目前激光闪射法已经成为一种成熟的材料热物理性能测试方法。

激光闪射法是目前世界上最先进的材料热物理性能测试方法之一，欧美各国的大部分热扩散数据就是用该方法测定的。本文介绍的激光闪射法导热系数测定方法是通过直接测量材料的热扩散系数、比热容、密度来计算材料的导热系数。

 

1. 案例背景

接收到客户石墨纸测试样品，要求根据ASTM E1461-13测试标准完成测试。

 

2. 测试方法简述

A．测试程序：

1) 试样的制备：由于耐火材料多为含颗粒原料的材料，具有明显的非均质性和方向性，因此试样的制备对测定结果影响很大，要严格控制试样的直径、厚度和两个端面的平行度。典型试样为直径为12．7mm或者25.4mm的圆形试样;

2) 试样的处理：为了减少耐火材料对激光脉冲的反射，并增加试样表面对激光脉冲能量的吸收，测试前可以在待测试样的两面均匀喷涂石墨涂层。石墨涂层可以阻止激光射线和可观察波长段热辐射的穿透，在高温阶段能够抵抗激光脉冲的加热而不融化和蒸发，并且不与试样产生反应;

3) 试样的安装与测定：试样经过上述步骤的处理后，即可放入仪器中进行测试。通过计算机控制系统，设定待测试样的试验条件，包括升温时间，试验温度和试验气氛等。达到设定温度，并且温度稳定后，选择手动或者自动方式开启激光发生器，仪器自动记录试样上表面温升随时间的变化曲线，整个测定过程结束。

 

试验装置示意图

 

试验记录：

1) 测试温度； 

2) 热扩散系数；

3) 比热容；

4) 密度； 

5) 样品厚度。

 

样品编号 测试方向 测试温度（℃） 导热系数（W/m•K） 热扩散系数(mm^2/s) 比热容(J/g/K) 密度(g/cm^3)
0921001   横向   28.0   177.887   75.028   0.886   2.676  
纵向   28.0   2.817   1.188   0.886   2.676  

备注：导热系数=密度×比热容×热扩散系数；测试温度不同相关参数会有明显不同。

 

B.设备照片：

 

 

3. 结论

由以上测试分析结果可知，该款石墨纸样品的在温度为28℃时的导热系数(K)横向=177.887 W/m•k，(K)纵向=2.817 W/m•k.

从测试数据可以明显看出石墨相关合成材料的水平热扩散系数远远高于垂直热扩散系数，因此在实际的应用领域使用方可重点关注其水平方向的热扩散性能。

 

4. 参考标准

ASTM E1461-13用闪光法测定热扩散率的标准试验方法

 

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