激光脉冲法为什么不建议用来测低导热材料？

摘要：激光脉冲法测量导热系数可能并不适用于一些低导热的材料，本文从测试原理等方面详细介绍了到底为何不建议如此测量。

 

关键词：稳态热流法；激光脉冲法；激光闪射法；导热系数；绝热材料；隔热材料；低导热材料 

 

简介：

测试材料的导热系数的方法一般分为两类，一类是稳态法，主要包括护热板法、 护热板热流计法等：另一类是非稳态法，主要包括激光脉冲法、热线法等。其中，对于稳态护热板法和激光脉冲法这两种常用的方法来说，它们之间的关系可以说是互补的。一般的情况下稳态导热系数的范围在0.002~20 W/m•K，而非稳态的激光脉冲法的范围却在0.1～2000W/m•K。

就像上面所说的那样这两种方法都有各自的范围，所以，在测某一些材料的时候，激光脉冲法就可能出现一些误差了。比如，玻璃钢类材料、 树脂基类复合材料和陶瓷材料等，这些类型的材料的导热系数比较低，属于低导热材料（约为0.1～1W/m•K之间），如果用激光脉冲法来测得到的结果往往可能会跟稳态法测出的值存在有偏差。

 

为什么激光脉冲法测得的值会跟稳态法的结果不一样呢？

原因之一是因为，一般的激光脉冲法测试设备，为了在实验的过程中减少传导热的损失，都会采用导热系数较低的陶瓷材料（美信的设备耐驰LFA467采用的是氮化硅陶瓷），来作为测试设备的支架。但是，如果材料的导热系数比陶瓷支架的导热系数还要低，又或者说，材料的导热系数与支架所选用的陶瓷材料很接近。此时测得的导热系数的值，就很可能受陶瓷支架较大影响，这样导致测量值比实际的值要大。

在进行激光脉冲测试法的过程中，试样要通过设备的激光脉冲加热，经过激光脉冲加热后的试样，背面的温升迅速升高，而大部分的低导热材料，因其导热系数较低，最大的温升在1 ~ 5℃之间，要令其达到可探测的幅度是很困难的（只有达到了可探测的范围，设备才能进行数据的采集）。通常情况下，面对这种问题有两种解决方法。一种是采用很薄的试样，另一种是提高脉冲的功率。但是，两种处理的方式都可能会导致低导热材料的测量值产生误差。低导热材料的密度一般都比较小，并且大多数是复合材料。而第一种方法中把试样制得很薄，会导致测量的结果离散性较大，测出的结果代表性不强。而运用第二种方法，高功率的激光脉冲会产生大量的热，在一些低导热的材料分解温度和熔点都不高的情况下，使用高功率的激光脉冲可能会导致试样发生化学反应或分解反应，所测得的导热系数也不是材料真正的导热系数。

另外，低导热材料的密度一般比较小，容易有细小的孔洞或孔隙。如果要求在真空中测量这个材料，这些空隙将会极大的改变试样的传热方式，对流传热的方式基本消失，测得的热导率可能会比常压大气环境的测量值要小。

 

小结：

综上所述，低导热的材料一般是不建议用激光脉冲法来进行测试的。如果要测低导热的材料的导热系数，建议使用稳态的测试方法，稳态热流法比激光脉冲法更适用于低导热的材料。

 

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