固体材料热物性测试中的应用.PDFVIP

瞬态平面热源技术 （Transient Plane Source Method, TPS）在 固体材料热物性测试中的应用 作者：T. Log, S. E. Gustafsson 译自 Fire and Materials, Vol.19, 43-49(1995) 摘要 本文应用瞬态平面热源技术 （Transient Plane Source Method, TPS ）对热导率范围从 0.028- 166W/mK 之间的几个标准样品进行了测试，得到的数据与采用其他标准方法得到的数据 非常吻合。实验结果表明，TPS 技术非常适合于测试固体材料的热扩散系数和热导率。它不需 特别的样品制备，与其他方法相比，不仅精度较高，而且测试速度更为快捷。 关键字 瞬态平面热源技术 （Transient Plane Source Method, TPS ），热导率，热扩散系数 简介 众所周知，固体材料的热导率和热扩散系数随着材料的结构、密度、多孔性、导电性的不 同而变化。通常，这些性能也受到温度和压力的影响。由于材料热物理性能的不同，对应于不 同的材料和不同的实验条件，近年来，发展了大量不同的实验技术。瞬态平面热源技术（Transient Plane Source Method, TPS ）是由瑞典Chalmer 理工大学的Silas Gustafsson 教授在热线法的基础 上发展起来的一项专利技术，在过去20 年中，瞬态平面热源技术被越来越多地被研究人员应用 [1-10] 于各种不同类型材料的热物性的测试 。 本文中我们采用TPS 技术对常见的一些固体材料进行了测试，所涉及的样品是压延聚苯乙 烯（k=0.19 W/mK），Cecorite 130P （k=1.45 W/mK），NIST 不锈钢（k=14.24 W/mK）和铝块（k=166 W/mK）。 原理 本文中使用了一个薄层圆盘形的温度依赖电阻作为样品探头（见图 1），探头系由导电金属 镍经刻蚀处理后形成的连续双螺旋结构的薄片，外层为双层Kapton 保护层。外层的Kapton 保 护层的厚度只有0.025 mm ，它令探头具有一定的机械强度，同时保持探头与样品之间的电绝缘 性。与热线法 （Hot Wire）和热带法(Hot Strip)一样，由于采用具有热阻性的材料同时作为热源 和温度传感器，瞬态平面热源技术能够覆盖较大的热导率范围，因而可以同时适用于各种不同 类型的材料。 图1 连续双螺旋结构的圆盘型平面热源探头 测试时，探头被夹在两片样品中间，形成类似三明治的结构 （见图2 ），在探头上通过恒定 输出的直流电，由于温度的增加，探头的电阻发生变化，从而在探头两端产生电压下降，通过 记录在一段时间内电压和电流的变化，可以较为精确地得到探头和被测样品中的热流信息。 Sample Sample 图2 平面热源探头放置于样品中间形成三明治结构 初始测试时，在绝缘性的 Kapton 涂层上会产生很小的温度下降，经过很短的一个初始化 过程，由于输出功率是恒定的，温度的下降将保持恒定。探头的电阻变化可以用下式表示： R(t) R [1 T T (t )] （1） 0 i R0 是探头在瞬态记录前的电阻， 是热阻系数 （TCR ），T (t ) 是假设探头和被测样品完 全接触时的平均温度上升值。 P T (t ) 0 D (t ) （2 ） 3 2 rk 在方程式2 中，P0 是探头释放的热，k 是被测样品的热导率，r 是探头的半径，可以由下 式得到： at t t