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激光导热系数的原理及案例 发布时间:2025-05-06 14:42:35


激光导热仪简介

激光导热仪(Laser Flash Apparatus)是一种快速的非接触式测量热导率的仪器。主要用于测量材料的热传导性质,是基于激光闪射法理论设计而成,通过激光脉冲瞬间加热样品表面,捕捉温度变化,以获得样品的热传导性能。它是一种用于物理学、工程与技术科学基础学科、材料科学领域的分析仪器,采用闪光法测试材料的导热性能,适合于高导热系数材料以及高温下的测试,要求的样品尺寸较小,测量范围宽广,可测量除绝热材料以外的绝大部分材料,特别适合于中高导热系数材料的测量。金鉴实验室拥有专业的设备,能够为客户提供导热系数测试,金鉴的专业团队将为您提供全面的技术支持和解决方案。



基本原理

在一定的设定温度T(恒温条件)下,由激光源(或闪光氙灯)在瞬间发射一束光脉冲,均匀照射在样品下表面,使其表层吸收光能后温度瞬时升高,并作为热端将能量以一维热传导方式向冷端(上表面)传播。使用红外检测器连续测量上表面中心部位的相应温升过程,得到类似于下图的温度(检测器信号)升高对时间的关系曲线:

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光脉冲宽度接近于无限小或相对于样品半升温时间近似可忽略,热量在样品内部的传导过程为理想的由下表面至上表面的一维传热、不存在横向热流,且外部测量环境为理想的绝热条件(此时样品上表面温度升高至图中的顶点后将保持恒定的水平线),则通过计量图中所示的半升温时间(在接收光脉冲照射后样品上表面温度(检测器信号)升高到最大值的一半所需的时间)t50(或称t1/2),由下式:

α= 0.1388 * d2 / t50 (d: 样品的厚度)

即可得到样品在温度T下的热扩散系数α。

对于实际测量过程中任何对理想条件的偏离(如边界热损耗、样品表面与径向的辐射散热、边界条件或非均匀照射导致的径向热流、样品透明/半透明而表面涂覆不够致密导致的部分光能量透射或深层吸收、t50 很短导致光脉冲宽度不可忽略等),需使用适当的数学模型进行计算修正。

由于导热系数(热导率)与热扩散系数存在着如下的换算关系:

λ(T) = α(T) * Cp (T) * ρ(T)

在已知温度T下的热扩散系数、比热与密度的情况下便可计算得到导热系数。



样品要求

1.通过使用合适的夹具或样品容器并选用合适的热学计算模型,还可测量诸如液体、粉末、纤维、薄膜、熔融金属、基体上的涂层、多层复合材料、各向异性材料等特殊样品的热扩散系数并进而计算导热系数。但要求样品测试时表面平整、厚度均匀。 

2. 垂直方向导热系数:圆片:直径12.7±0.2mm或25.4±0.2mm,厚度0.5~4mm 。

3. 水平方向导热系数:圆片:25.4±0.2mm,厚度0.1~1mm,最小厚度不低于20μm。



案例分析

金鉴实验室的测试流程经过严格验证,能够有效减少边界热损耗和样品表面与径向的辐射散热影响,确保测量结果的准确性。我们提供的测试服务涵盖多种材料,助力客户在研发和生产中实现更高的效率。

1.垂直方向导热系数测量

铝基板是常用的一种散热基材,在LED灯具中,它垂直方向的导热系数关系着整个灯具的散热性能。但常规的稳态热源法,对于高导热的纯铝基板测试存在较大误差,因此,选择采用激光法能有效规避这个问题。

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将铝基覆铜板上的铝基材打磨成12.7mm圆,厚度1~4mm,在25℃条件下,采用“Single”模式测试热扩散系数,输入密度和比热容参数,换算得到导热系数。金鉴实验室在进行试验时,严格遵循国际国内相关标准。金鉴实验室的技术团队对这些标准进行了深入细致的研究,确保每一个测试环节都精准无误地符合标准要求。

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2.水平方向导热系数测量

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对于水平方向热导率受关注的材料,如散热片、散热器、包装材料等,金鉴实验室采用特殊In-Plane托盘测试。

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该托盘底座中心有5mm圆孔接收光源能量,盖子直径26mm,中心有10mm挡片屏蔽垂直热信号,外围2mm圆环供检测器检测水平热信号。以石墨烯薄膜为例,裁剪成25.4mm圆,在25℃条件下,用“In-Plane”模式测试水平方向热扩散系数,结合密度和比热容参数,计算导热系数。金鉴实验室的测试方案能够满足不同材料的需求,为客户提供全面的导热系数分析。

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总结

激光闪射法导热系数仪凭借其广泛的测量范围,可覆盖<0.1-2000W/m*K的导热系数区间,适用于从低导热聚合物到超高导热金刚石等多种材料。

其测量温度范围宽,样品适应性强,不仅能测试常规固体片状材料,还能通过合适夹具、样品容器和热学计算模型,测量液体、粉末、纤维、薄膜、熔融金属、基体涂层、多层复合材料、各向异性材料等特殊样品的热扩散系数并计算导热系数,为材料热传导性能研究和应用提供了强大支持。

金鉴实验室是一家专注于LED产业的第三方检测机构,致力于改善LED品质,服务LED产业链中各个环节,使LED产业健康发展。金鉴实验室具备推出“导热系数鉴定”的服务,通过金鉴实验室特定检测设备和标准规范LED市场,逐渐形成统一标准,给出可参考的LED导热材料热阻或导热系数值。


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