鄧 元,魏曉星,何淑淀,蔣劍雄,來國橋

(杭州師范大學有機硅化學及材料技術教育部重點實驗室,浙江杭州310012)

差示掃描量熱儀和激光導熱儀聯(lián)用測定材料導熱系數

鄧 元,魏曉星,何淑淀,蔣劍雄,來國橋

(杭州師范大學有機硅化學及材料技術教育部重點實驗室,浙江杭州310012)

介紹了測量材料導熱系數的幾種方法,對目前最常用的激光法測量導熱系數的原理進行了闡述.重點介紹差示掃描量熱儀(DSC)和激光導熱儀聯(lián)用技術,將DSC測得精確的比熱容數據應用在導熱測量中,以得到精確的導熱系數.

比熱容;熱擴散系數;導熱系數

隨著社會的進步和科技的發(fā)展,新材料的合成和研究受到了人們越來越多的重視.各種新材料的出現,使得人們對這些新材料的性能檢測也提出了更高的要求,這給分析工作者帶來了前所未有的挑戰(zhàn).新材料的熱性能分析就是其中重要的組成部分,例如:航天器所使用的外層材料,需要承受航天器返回地球大氣層時和大氣摩擦所產生的高溫以防止內部部件的損壞;電子工作領域使用的微小陶瓷,既要保護集成電路板與電子設備不被高溫燒毀,又要作為熱量的散熱器;同樣作為微電子工業(yè)中所使用的塑料,既要求有良好的導電性能,又需要有耐高溫和散熱性能.了解這些新材料的導熱等物理性質,已成為科技工作者不得不面對的一個嚴峻的問題.在過去的半個世紀里,計算機的高速發(fā)展帶動了新的測試方法和儀器的快速發(fā)展,但在某一應用領域,對于新材料物理性能的精確測量并非通過一種儀器就可以輕松完成的.因此,要得到精確的導熱測量結果,必須根據材料的導熱系數范圍與樣品特征,選擇合適的測試方法.

1 導熱系數的測定

1.1 導熱法的分類

由于儀器分析技術的快速發(fā)展,現在測量導熱系數的儀器和方法很多,主要分為兩大類:一類是用于高溫條件下或者測量導熱系數比較高的材料的動態(tài)法;另一類是適合于中低溫度條件或者中低導熱系數的材料的穩(wěn)態(tài)法.動態(tài)法又可以分為熱線法和激光導熱法,穩(wěn)態(tài)法分為熱流法、保護熱板法和保護熱線法.

相對于其它方法,激光導熱法具有試樣尺寸小、樣品制備簡單、測量溫度范圍和導熱系數范圍廣以及重復性和精確性高的特點.以實驗室購買的德國耐馳公司生產的型號為LFA 457激光導熱儀為例:測量溫度范圍寬,最高能達2 000℃;導熱系數覆蓋范圍廣,從普通的絕熱塑料0.05 W/(m·K)至金剛石的2 000 W/(m·K)均能測量.因此,目前全世界熱擴散系數的測量一半以上都是使用該方法.

1.2 激光導熱法的測量原理

以型號LFA 457的激光導熱儀為例,在爐體控制的一定溫度下,由激光源發(fā)射光脈沖均勻照射在圓柱體樣品的下表面,對試樣進行均勻加熱,使用紅外檢測器連續(xù)測量樣品上表面相應溫升過程,最后對數據進行數學分析.在絕熱的條件下,得到如下的公式:

其中:a為熱擴散系數(cm2/s);d為樣品厚度(cm);t0.5為樣品上表面溫度升高50%所需的時間(s).

由上式得到熱擴散系數.導熱系數最常用的測量方法之一是測量熱擴散系數(a)、比熱容(cp)和密度(ρ)隨溫度的變化,然后根據下式計算[1-3]:

一般在室溫下測量密度,其隨溫度的變化可使用線膨脹系數表進行修正.比熱容可在測量中使用比較法與熱擴散系數同時測得,即進行參比物質和待測樣品的比較.但是測試需要的條件很多且比較苛刻,尤其是需要挑選比熱容大小相似的參比物質,這對于大多數新材料測試來說,比較困難.并且通過比較得到的比熱容數據誤差很大,造成最終計算得到的導熱數據不可靠.因此,通過其它途徑測得準確可靠的比熱容數據,是得到精確的導熱系數的關鍵因素之一.目前,采用差示掃描量熱儀測量比熱容是公認的最可靠、最準確的方法并得到廣泛的應用.在此,引入一種新的測量方法,即利用差示掃描量熱儀進行比熱容的精確測量,再由差示掃描量熱儀和激光導熱儀聯(lián)用來測材料的導熱系數.

1.3 DSC測定比熱的原理和方法

差示掃描量熱法是測量輸入到試樣和參比物的熱流量差或功率差與溫度或時間的關系的一種方法.根據此原理設計得到差示掃描量熱儀.比熱容定義為單位質量樣品每升高1℃所需要吸收的能量,DSC測定比熱容就是依據該定義來確定的[4]:

在溫度差相同的條件下:

式中的Q由DSC中的熱流差就可以得到.具體步驟如下:1)在溫度范圍內測定基線;2)在溫度范圍內測定已知比熱容的DSC曲線(以藍寶石為例);3)在上述溫度范圍內測定待測樣品的DSC曲線.計算公式如下所示.

式中,m1表示藍寶石質量(mg);m2表示樣品的質量(mg);Y1表示溫度為t1時樣品的DSC值;Y2表示溫度為t1時藍寶石的DSC值;Y0表示溫度為t1時基線的DSC值(圖1);cp1表示溫度為t1時藍寶石的比熱容值.

2 導熱系數測定實例

圖1 基線、藍寶石和樣品的DSC曲線Fig.1 The DSC curves of the baseline, sapphire and sample

選取實驗室自制的2個橡膠樣品進行比熱容測試,使用的是TA儀器公司的型號為Q100的差示掃描量熱儀.同樣以藍寶石作為參考物,以10℃/min升溫,用氦氣作為吹掃氣,20 m l/min的氣流量,分別在25℃、50℃、100℃用上述方法進行比熱容計算,計算結果輸入到導熱儀的程序中,以供下一步的導熱系數測定所用.

選取2個不同的單層圓形橡膠樣品,在25℃、50℃、100℃處各收集一個數據點.其中樣品1的密度為1.163 g/cm3,厚度為2.07 mm,直徑為12.72 mm;樣品2的密度為1.166 g/cm3,厚度為2.04 mm,直徑為12.73 mm,設定這兩個樣品均沒有受熱膨脹.測試過程中所用激光電壓為2 018 V,升溫速率為1℃/min,以陶瓷樣品為參比,使用MCT檢測器檢測溫度信號.

用DSC和激光導熱儀分別測量2個樣品的比熱容數據,結果見表1.再分別把2種儀器測得的樣品的比熱容數據輸入到激光導熱儀的程序中,計算出各溫度下樣品的導熱系數,所得結果見表2.

表1 采用2種不同儀器測得的樣品的比熱容Tab.1 Specific heat capacity of materials obtained from two different instruments

表2 由2種儀器所得cp值計算得到的樣品的導熱系數Tab.2 Thermal conductivities obtained from two cpvalues determ ining by use of two different instruments

由表1和表2可以看出,直接使用激光導熱儀用參比測出的樣品的比熱容和由此計算出的樣品的導熱系數,與由差示掃描量熱儀先對樣品各溫度下的比熱容進行精確的測量,再由激光導熱儀計算得出的各溫度下樣品的導熱系數是存在很大差別的.

樣品的分析實驗表明:直接使用激光導熱儀用參比測出的樣品的比熱容并由此計算出的樣品的導熱系數,與由差示掃描量熱儀先對樣品各溫度下的比熱容進行精確的測量,再由激光導熱儀計算得出各溫度下樣品的導熱系數相差很大.鑒于使用差示掃描量熱儀對樣品進行測量計算得到比熱容數據,是公認的最可靠、最準確的方法,因而使用差示掃描量熱儀通過計算得到比熱容數據,并和激光導熱儀聯(lián)用能夠得到精確的導熱系數,是一條準確測量材料導熱系數的好途徑.

3 結 論

[1]Parker W J,Jenkins RJ,Butler C P,et al.Flash Method of Determining Thermal Diffusivity,Heat Capacity and Thermal Conductivity [J].J App l Phys,1961(32):1679-1685.

[2]德國耐馳儀器制造有限公司.LFA 457儀器操作手冊[S].上海:耐弛儀器(上海)有限公司,2009:2-3.

[3]Jurgen Blumm.導熱系數測量方法及儀器[G/OL].(2008-06-03).[2009-05-01].http://www.ngb-netzsch.com.cn/communication/ dow nloads/comm_0503/nc050302.pdf

[4]泉美治,小川雅彌,加藤俊二,等.儀器分析導論:第三冊[M].劉振海,李春鴻,譯.2版.北京:化學工業(yè)出版社,2005:19-20.

Scann ing on Thermal Conductivity of New Materials by the Combination of DSC and Laser Conductometers

DENG Yuan,WEIXiao-xing,HE Shu-dian,JIANG Jian-xiong,LA IGuo-qiao
(Key Labo rato ry of O rganosilicon Chemistry and Material Technology of M inistry of Education,Hangzhou No rmal University, Hangzhou 310012,China)

This paper has described some methods and p rincip les about the scanning on thermal conductivity of new materials,and discussed the laser method in the measuring of thermal conductivity w hich is the most w idely used. Especially,the paper has designed a new method that the accurate specific heat capacity obtained by DSC can be used to calculate the thermal conductivity by the combination of DSC and laser conductometers,and the results are better than those only obtained by laser method.

specific heat capacity;thermal diffusivity coefficient;thermal conductivity

O6.339

A

1674-232X(2010)03-0220-03

DO I:10.3969/j.issn.1674-232X.2010.03.012

2010-02-26

浙江省教育廳一般項目(20070454).

鄧 元(1980—),男,山東滕州人,實驗師,碩士,主要從事分析化學研究.E-mail:dengyuan1980@126.com