1简介

热常数分析仪主要用于物质热物性参数的测试和表征。物质的热物性参数主要包括导热系数比热热扩散系数等,其中最能表征物质的导热性能的是导热系数。导热系数的表征有多种方法,热流法、热线法、瞬态平面热板法等。

瞬态平面热板法由于测试简便、精确而广泛应用于化工、能源、医药、农业、军事、航天、汽车、电子等领域。瞬态平面热板法又称为TPS法改善了传统方法测试的不足,提高了测试导热性能的精确度。运用此法设计制造的仪器被称为Hotdisk热常数分析仪,是当前测试导热系数的主要仪器。

图1TPS2500S型热常数分析仪

图1

2发展历史

2.1导热系数测试方法的演化

导热系数的测试主要有稳态法非稳态法。最早出现的是稳态法。常见的稳态法有热流计法和防护热板法。热流计法,将热流传感器放置于样品和冷板间,测量通过样品的热流,进而测试样品的导热系数。防护热板法[1]的测试和热流法类似,测试时将两块样品交替放置于冷板和热板之间,热量从中心板传递到内防护板,垂直穿过试样到达冷板,此时外防护板温度显示冷板和热板的平均温度,降低了样品边缘热交换,形成一维垂直热流,进而测试得到导热系数。

图2热流计法测试导热系数原理示意图

图2

图3防护热板法导热系数测试原理示意图[2]

图3

稳态法的测试特点[3]是保持被测物质温度梯度不变,形成稳态传热,通过傅立叶定律得到被测物质的导热系数。刚开始稳态法主要用于测试导热系数低的物质,随着高导热材料的需求越来越大,高导热材料很难保持温度梯度不变,稳态法不能满足高导热物质导热系数的测试,加上稳态法中稳态温度场达到的时间长、稳态法测试效率低,对被测物质的尺寸较为严格,非稳态法便产生了。

非稳态法又称为瞬态法,主要包括热线法、热带法、瞬态平面热板法、激光闪射法等。

1960年代最早出现了热线法。热线法控制样品温度的同时,将恒定功率的线状导电体放置于两块样品的平面间,通过测量两个时间点的温度变化来计算样品的导热系数。热线法主要用于测试蓬松物质的导热系数,如粉末。对于液体和固体的导热系数,热线法测试误差较大,接触热阻的影响较大。

图4热线法导热系数测试原理及电路链接示意图[2]

图4

在热线法的基础上,1970年代发展了热带法。热带法测试原理和热线法测试原理相同,不同的是将线状的热源改变成了带状的热源,从而增加热源和物质的接触降低接触热阻的影响。

1980年代,激光闪射法也开始发展。激光闪射法主要依靠激光源或闪光氙灯瞬间发射脉冲光束作为热源,照在样品表面,利用红外检测器检测热信号,从而分析得到热扩散系数。激光导热法直接得到的是热扩散系数,后期通过扩散系数和密度、比热计算可以得到导热系数。

图5激光法测试热扩散系数原理示意图

图5

同期,经过热线法和热带法的发展,形成了一种新的测试方法,瞬态平面热板法,也称作瞬态平面热源法和Hotdisk法。瞬态平面热源法不同于热线法和热带法,将直热源变成弯曲的热源形成平面热源,小空间里获得大的接触面积,同时采用数学模型模拟传热过程。Hotdisk热常数分析仪就是基于瞬态平面热源法研制而成。

2.2导热系数测试仪器的发展

最早出现的是基于稳态法研制的导热仪,防护热板法导热仪热流法导热系数测试仪。热流法导热系数测试仪:导热系数准确度为±3%,温度范围最高到90℃,导热系数测量范围0~2.5W/(mk),对样品要求严格。仪器型号主要有林赛斯LinseisHFM600、LinseisHFM300、LinseisHFM300;耐驰HFM446、TCA300、TCA500。LinseisHFM要求样品必须是直径和厚度固定的圆柱,对于一般样品很难达到。

图6耐驰TCA300型热流法导热仪

图6

防护热板法导热仪:导热系数准确度±2%,温度范围最高到600℃,导热系数测量范围0~2W/(mk),样品尺寸固定。测试时间长。仪器型号主要有德国耐驰GHP456、GHP500、GHP500HT、GHP800/900等。

图7耐驰GHP456型防护热板法导热仪

图7

稳态法测由于测试时间长、对样品要求严格,为了改善测试的不足,非稳态法导热仪开始出现。

激光导热仪:该仪器直接得到的是热扩散系数,测试结果需要和比热、密度换算求得导热系数。导热系数准确度为±10%,温度范围最高到1600℃,有的仪器甚至可以达到2800℃,导热系数测量范围0.1~2000W/(mk),样品尺寸固定。激光导热仪对于样品尺寸是严格要求的,只能是直径固定的圆片,厚度大于6mm。仪器型号主要有德国林赛斯LinseisLFA1000/2000/500、德国耐驰NetzschLFA467/457/427/467HT、NetzschNanoTR/PicoTR;国产柯锐欧CLA等。

图8耐驰LAF457型激光导热仪

图8

Hotdisk热常数分析仪:可以直接得到导热系数,还可以得到比热和热扩散系数,测试简便快捷,被广泛应用。该仪器对样品尺寸要求简单,可以测试固体、液体、粉末等。导热系数准确度为±3%,测试温度最高到1000℃,导热系数测量范围0.005-1800W/(mk)。仪器型号主要有瑞典凯戈纳斯公司的TPS2500STPS3500、TPS2200。

3原理与特点

TPS2500S为例介绍Hotdisk热常数分析仪的原理和特点。

3.1原理介绍

Hotdisk热常数分析仪基于瞬态平面热源法而设计。瞬态平面热源法,简称TPS法,是目前使用最广泛、最简便、最精确的导热系数测试方法。通过瞬态平面热源法可以直接测得材料的导热系数,也可以得出材料的热扩散系数和体积热容等参数。瞬态平面热源法利用螺旋状的热源进行热物性参数的测量。Hotdisk热常数分析仪测试参考标准ISO22007-2

3.2测试示意图

Hotdisk热常数分析仪测试固体时,将探头放在两片样品中间,此时,探头既是热源也是温度传感器[4]。对探头设置一个恒定的加热功率,利用样品对探头表面温度响应的影响,通过仪器软件记录探头温度值,并分析处理数据,便可以得到样品的导热系数。固体测试示意图如图9。Hotdisk也可以用于测试粉末和液体。当测试粉末时,需将粉末铺满容器并覆盖探头,容器示意图如图10,测试示意图如图11。当测试液体时,探头平放于液体样品中,测试示意图如图12。

图9固体测试示意图

图10粉末样品容器图

图9

探头功率恒定时,电阻和时间的关系为

公式(1)

公式(1)中:R0—探头初始电阻,单位;

t—测试时间,单位s;

K—电阻温度系数,1/K;

ΔT—探头表面温度差,单位K;

ΔT的定义式为

公式(2)

3.3导热系数的计算原理[4][5]

公式(2)中:P0恒定功率,单位W

r—探头半径,单位mm

λ—样品导热系数,单位W/(mK)

D(t0)—特征时间t0的函数;

t0定义为

公式(3

公式(3)中:a—样品的热扩散系数,单位mm2/s;

t—测试时间,单位s

r—探头半径,单位mm

实验过程中,记录探头温度差ΔT,并和D(t0)拟合,会得到一

条直线,通过分析直线的斜率可以求得导热系数λ

4仪器介绍[6]

Hotdisk热常数分析仪主要型号是TPS2500S,该仪器主要由样品支架、测量探头、测量装置、计算装置、电脑主机、分析软件组成。

样品支架室温支架,主要用于室温下样品导热系数的测试,主要包括样品支架、传感器支架(不锈钢材质)、不锈钢盖。样品架可以放置样品高4cm,直径7cm。高温支架,主要用于高温下样品导热系数的测试,包括样品支架和不锈钢样品支架,样品架可以放置样品高3cm,直径5cm。

4.1仪器组成

图13室温支架[6]

图14高温支架[6]

图10

测量探头Hotdisk的探头是由金属薄片刻蚀而成。因为镍金属电阻温度系数高,通常使用镍金属并将其制作成双螺旋状,形成平面热源。Hotdisk探头尺寸一般在2~29.40mm之间,可以满足样品尺寸的多样性。测试时,要求样品的尺寸大于探头尺寸。

图15探头图片[6]

图11

测量装置:自动测试功能,以及外部自动控温系统;还可以增加温度探头记录环境温度;

计算装置:测试过程中可以将数据导入到第三方软件,进行数据分析和处理;

分析软件:对测量参数进行拟合,分析处理数据;

测试模块:薄膜、平板、一维、各向异性、比热等。薄膜测试模块主要测试薄膜、涂层样品;平板模块主要测试高导热片材或板材;一维模块主要测试棒状样品;低导热和极轻样品主要用低密度高绝热模块;各向异性、层状样品主要用各向异性模块;比热测试就用比热模块。

4.2仪器参数

导热系数范围:0.005-1800W/mK;热扩散系数:0.01-1200mm2/s;比热:到5MJ/m3K;

温度范围:20k-1000°C

测试时间:1-2560s;

精度:±3%

重复性:优于1%

主机温度:室温;

搭配高温炉:最高750°C,惰性环境最高1000°C;

搭配循环浴:-35°C~200°C;

测试样品种类:固体、薄膜、液体、粉末、纤维、生物样等

测试材料类型:金属、陶瓷、化合物、电路板、硅片、合金、矿物、粘结剂、纸张、织物、复合材料、聚合物等。

4.3样品要求

固态样品:要求样品至少有一个平整表面,同时准备两片相同材质样品用于测试;块体尺寸要求厚度大于0.5mm,直径或边长大于2mm

薄膜样品:尺寸要求厚度大于0.01mm,直径或边长大于22mm;块体和薄膜,不同导热系数,要求尺寸不同。对于低导热系数的样品,尺寸可以小,而针对高导热的样品,尺寸需要增加,便于增加测试时间,提高测试精度[6]

液体和粉末样品:体积大于30ml,便于铺满容器,覆盖探

头。

5优缺点

5.1优点

1)Hotdisk热常数分析仪直接测试得到导热系数,同时也可以测得材料的热扩散系数和热容;

2)测试方便快捷,直接接收探头传到样品的热量,样品不需要形成温度梯度,缩短了测试时间

3)可测样品范围广,对于样品的尺寸要求灵活,不规整也可以测试;

4)Hotdisk测试导热系数精确度高,可以达到±3%

5)测试过程不受接触热阻的影响;

6)测试过程中不受探头、样品表面、探头与样品间的气穴的干扰;

7)测试样品种类全面,不仅固体、薄膜可以测试,液体和粉末也可以测试;

8)测试温度高,最高可以达到1000度。

5.2缺点

测试低导热材料重复性差,在测试环境波动较小的情况下可以改善。

6应用

6.1液体导热系数测试

张玉珂[5]等人使用TPS2500S型Hotdisk热常数分析仪测试了葵花仁油和玉米胚芽油的导热系数,研究了测试温度、测试时间、加热功率对两种油导热系数的影响。如图16所示,当加热功率固定为30MW,测试时间5s时,葵花仁油和玉米胚芽油的导热系数随着温度的升高而增大。该实验还通过测试乙醇验证了测试结果的精确度,如图17所示,实验证明测试乙醇导热系数与真实值相对误差为0.07%,说明该仪器测试结果的准确度很高

图16葵花仁油、玉米胚芽油导热系数对温度的曲线图[5]

图12

图17乙醇导热系数测量结果图[5]

图13

6.2固体导热系数测试

李静[7]等通过TPS2500S型Hotdisk热常数分析仪研究了Bi-In-Sn-Sb合金的导热性能。实验通过测定陶瓷基板和不同Sb含量的合金的导热系数,研究了不同Sb含量的合金对陶瓷基板接触热阻的影响。不用温度下,陶瓷基板和合金的导热系数如图18所示,样品1为陶瓷基板,样品2、3、4、5为不同Sb含量的合金。结果表明合金材料随着温度增加,导热系数增加;陶瓷基板导热系数变化较小。

图18不同温度下样品导热系数[7]

图14

董陈磊[8]等人使用TPS2500S型Hotdisk热常数分析仪测试不同织物的导热系数。实验通过测试不同温度下棉麻丝毛的导热系数,证明了该仪器对棉麻丝毛测试的可行性,并研究了环境温度对棉麻丝毛导热系数的影响,实验结果如图19所示。实验结果表明,温度升高,织物导热系数增加。

图19织物的导热性与温度的关系[8]

图15

6.3测试粉末导热系数

辛春锁[9]等人使用TPS2500S型Hotdisk热常数分析仪测试了气凝胶粉末的导热系数,通过重复性实验研究了常温下,不同时间段,气凝胶粉末的导热系数的变化。实验固定加热功率4mW,间隔时间1h,测试时间320s,重复测试20次测试结果如图20所示。结果表明,对于低导热材料,Hotdisk测试重复性和时间段、环境因素相关。当测试波动较小时,低导热材料的导热系数测试重复性较好。

图20气凝胶分体重复20次导热系数测试结果[9]

图16

6.4其他热物性参数测试

Hotdisk热常数分析仪主要用于导热性能的研究,除了导热系数的测试,也用于热扩散系数的测试和比热的测试。谢敬礼[10]等使用TPS2500S型Hotdisk热常数分析仪研究了膨润土的导热性能。实验通过添加石墨增强膨润土的导热性能,研究了不同石墨含量和温度对混合材料导热性能的影响。混合材料导热系数、热扩散系数、体积比热与石墨含量关系如图21(a)(b)(c)所示。实验结果表明,随着石墨含量的增加,混合材料的导热系数和热扩散系数增大,而比热减小。

图21混合材料导热性能和石墨含量的关系

图17

参考文献

[1]索亚运,李艳宁.防护热板法快速测量物质导热系数[J].纳米技术与精密工程,2017,15(03):193-198.

[2]姚凯,郑会保,刘运传,王康,孟祥艳,周燕萍,王雪蓉,王倩倩.导热系数测试方法概述[J].理化检验(物理分册),2018,54(10):741-747.

[3]黄犊子,樊栓狮.采用HOTDISK测量材料热导率的实验研究[J].化工学报,2003(S1):67-70.

[4]江楠竹,潘江,王玉刚,王清平.TPS法导热系数测量的仿真分析[J].中国测试,2016,42(06):122-126.

[5]张玉珂,赵俊廷.基于HotDisk测定食用油的导热系数的研究[J].广州化工,2015,43(02):31-33.

[6]Hot-Disk-5.6常规测试操作说明.来源于网络.

[7]李静,陈旭阳,雷汝白,张定,樊春雷.Bi-In-Sn-Sb四元合金界面材料的热性能[J].华南理工大学学报(自然科学版),2018,46(11):39-46.

[8]董陈磊,斯点点,周小红.瞬态平面热源法仪器测试不同温度下织物导热系数的研究[J].现代纺织技术,2019,27(04):84-88.

[9]辛春锁,何小瓦.HOTDISK在低导热材料测试中的重复性分析[J].宇航计测技术,2013,33(02):36-41.

[10]谢敬礼,佟强,鲁文玥.膨润土-石墨混合材料导热性能试验研究[J].硅酸盐通报,2020,39(05):1689-1693.

说明:

(1)图6\7\8来源于耐驰科学仪器商贸(上海)有限公司官网。

(2)图10来源于网络。