一种固体材料热扩散系数测量装置及其测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及固体材料热物性的测量技术领域，尤其是涉及一种基于激光闪射法的固体材料热扩散系数的测量装置及其测量方法。
【背景技术】
[0002]在同一温度下，材料的热导率为热扩散系数、密度以及比热容的乘积。比热容和密度是材料本身的属性，测试方法已经非常成熟，因而，只要测出材料的热扩散系数，就可以确定热导率。热扩散系数表征了材料的热量传输的能力，在材料、能源、建筑、航空、化工、制冷工程等领域中都有着重要的用途，尤其在工程中的热工设计，系统安全分析方面有着广泛的应用。其测试方法也一直是研究热点之一。其中激光闪光法的样品用量少、测试速度快、准确度高、温度范围宽、热扩散系数测试范围广，已成为测量热扩散系数的常用方法。
[0003]用该方法测量样品的热导率时，热扩散系数与样品厚度的平方成正比。目前，对于多层薄膜的热扩散系数的测量存在困难。
[0004]在东华大学的公开号为CN101251502A的发明专利“纺织品导热、热扩散系数和体积热容的测量装置和方法”中，提出了一种对于单层厚度为200um的多层样品测量时用有机玻璃作为施压装置，使层与层之间接触良好的方法。该方法解决了一些问题，但也存在着不足:该发明装置仅适用于大尺度样品的热扩散系数的测量，精确度很低，不适用于测量材料的属性。
[0005]在文献“高压处理对Cu-50.84Cr-0.48A1合金热扩散系数和热膨胀性能的影响”中提出了通过六面顶压机先对样品进行加压处理后再测热扩散系数，该方法可以用来探究压力对于样品热物性的影响，但略显不足:对压力的调控不能实时进行，所以每一次改变压力值都必须重新制备样品，不仅对研究进度有很大的影响，而且也提高的研究成本。
【发明内容】
[0006]本发明的的目的是提供一种可有效预防由于在测试过程中多层样品之间产生的空气层对实验结果的影响，使得测试结果重复性好，准确度高，而且可广泛适用于不同厚度以及负载要求的热扩散系数的测试装置及方法。
[0007]为实现上述目的，本发明的技术方案如下:
[0008]—种固体材料热扩散系数测量装置，包括加热装置、加载装置2、红外探测器、计算机控制与采集系统、步进电机控制系统和压力显示装置；
[0009]加热装置采用红外激光加热装置，加热装置的红外激光轴线与加载装置的轴线重合；加载装置设于加热装置的正上方，设有支撑板、施力板、连接件、测试孔和压力传感器；加载装置设有至少3个对称分布的连接件，连接件上端与施力板固定连接，连接件下端与支撑板固定连接。在每个连接件底部均有个压力传感器，施力板和支撑板的中心均设有测试孔；红外探测器设于加载装置正上方，红外探测器与加载装置和加热装置同轴；计算机控制与采集系统信号输入端接红外探测器信号输出端；压力显示装置信号输入端分别与各压力传感器信号输出端电连接。
[0010]所述加热装置采用的波长可为1064nm。
[0011]所述连接件最好为立杆；所述施力板和支撑板最好为水平圆柱板。
[0012]所述压力传感器最好内嵌于连接件底部。
[0013]一种固体材料热扩散系数测量方法，采用上述测量装置，包括如下步骤:
[0014]1)制备样品
[0015]根据要求制出符合尺寸要求和层数要求的待测样品，对样品下表面和上表面均匀喷墨，增强对光的吸收，并测量样品的厚度；
[0016]1)加载
[0017]将样品叠放整齐后放入加载装置中，根据要求设定压力值，使每一层之间达到良好的接触；
[0018]2)测量
[0019]将样品放入施力板与支撑板之间，确保测试孔不漏光，然后通过编程施加预设载荷，夹紧样品，将加热装置、加载装置和红外探测器轴线调整重合，使加热装置对样品的下表面进行加热，同时在样品一侧通过红外探测器将入射的红外辐射信号转换为电信号输出，即可得到电压对时间的曲线，反映出温度对时间的变化关系；
[0020]3)数据处理
[0021]根据公式α = 0.1388*d2/t5。计算出样品的热扩散系数；
[0022]式中，α为热扩散系数；d为样品的厚度；t50为半升温时间。
[0023]与现有技术比较，本发明的有益效果如下:
[0024]本发明工作时，待测样品置于加热装置上，加热装置发出的光直接与样品接触加热，以及红外探测器可直接监测样品上表面的温场变化。压力传感器与压力显示装置用于传感及显示当前施加于样品上的载荷大小。红外探测器用于探测样品上表面的温场变化。在测试开始前，输入样品厚度，通过软件编程，系统会输出电压随时间变化的曲线，并得到半升温时间，通过热扩散系数与半升温时间之间的关系得到样品的热扩散系数值。测试开始后，调整加热装置、加载装置、红外探测器的位置，使三者的轴线重合，打开加热装置对样品下表面进行短暂加热，随后热量会沿着一维方向向样品的上表面传输，通过红外探测器对样品上表面的温场进行实时监测，并将数据采集到电脑中，通过电脑软件得到电压随时间变化的曲线，同时可根据需要调节加载装置对样品进行不同载荷情况下的热测量。测试中，可根据载荷需求通过步进电机控制系统进行编程设定，从而控制连接件的长度，达到改变载荷的目的，压力传感器与压力显示装置用于实时传感显示当前压力，便于随时调整。
[0025]本发明提供了一种适用于多层样品的加载装置，该加载装置可对所测的多层样品施加载荷，使层与层之间达到良好的接触，通过实时改变载荷大小，可以研究样品的热扩散系数与负载之间的关系。本发明可广泛适用于用光与样品接触来测得样品参数的测试方法，将需要测量的多层样品制成要求的形状和尺寸，通过加载装置施加载荷，使样品之间接触良好，最后进行参数测量。
【附图说明】
[0026]图1为本发明实施例所述测量装置的结构组成示意图；
[0027]图2为本发明实施例所述测量装置中的加载装置的结构示意图；
[0028]图3为采用本发明实施例所述测量装置对80层铝箔纸样品在90°C、120°C、150°C下各重复测量5次得到的热扩散系数对温度的散点图。
【具体实施方式】
[0029]参见图1和2，本实施例所述测量装置包括加热装置1、加载装置2、红外探测器3、计算机控制与采集系统4、步进电机控制系统5、压力显示装置6，其中:
[0030]加热装置1采用的是波长为1064nm