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導熱系數(shù)測試-激光閃射法

2015-09-30  瀏覽量:5331

美信檢測 失效分析實驗室

 

背景:

導熱系數(shù)是表征材料熱傳導能力的重要物理參數(shù),是工程材料尤其是窯爐材料的熱物理特性之一。在研究和開發(fā)新型耐火材料時,研究人員都很重視導熱系數(shù)這項技術(shù)指標,并在冶金工程材料、建筑中作為選擇材料的重要依據(jù)之一。所以,準確測定材料的導熱系數(shù)至關(guān)重要。目前國內(nèi)測定耐火材料導熱系數(shù)通常采用平板法和熱線法。但這兩種方法均存在測量精度不高,測量范圍較窄等不足。1961年,Parker等開始了利用激光脈沖技術(shù)測量材料的熱物理性能的研究,由于這種技術(shù)具有測量精度高、測試周期短和測試溫度范圍寬等優(yōu)點,得到廣泛的研究和應(yīng)用,經(jīng)過不斷發(fā)展和完善,目前激光閃射法已經(jīng)成為一種成熟的材料熱物理性能測試方法。
激光閃射法是目前世界上最先進的材料熱物理性能測試方法之一,歐美各國的大部分熱擴散數(shù)據(jù)就是用該方法測定的。本文介紹的激光閃射法導熱系數(shù)測定方法是通過直接測量材料的熱擴散系數(shù)、比熱容、密度來計算材料的導熱系數(shù)。
 
1. 案例背景
接收到客戶石墨紙測試樣品,要求根據(jù)ASTM E1461-13測試標準完成測試。
 
2. 測試方法簡述
A.測試程序:
1) 試樣的制備:由于耐火材料多為含顆粒原料的材料,具有明顯的非均質(zhì)性和方向性,因此試樣的制備對測定結(jié)果影響很大,要嚴格控制試樣的直徑、厚度和兩個端面的平行度。典型試樣為直徑為12.7mm或者25.4mm的圓形試樣;
2) 試樣的處理:為了減少耐火材料對激光脈沖的反射,并增加試樣表面對激光脈沖能量的吸收,測試前可以在待測試樣的兩面均勻噴涂石墨涂層。石墨涂層可以阻止激光射線和可觀察波長段熱輻射的穿透,在高溫階段能夠抵抗激光脈沖的加熱而不融化和蒸發(fā),并且不與試樣產(chǎn)生反應(yīng);
3) 試樣的安裝與測定:試樣經(jīng)過上述步驟的處理后,即可放入儀器中進行測試。通過計算機控制系統(tǒng),設(shè)定待測試樣的試驗條件,包括升溫時間,試驗溫度和試驗氣氛等。達到設(shè)定溫度,并且溫度穩(wěn)定后,選擇手動或者自動方式開啟激光發(fā)生器,儀器自動記錄試樣上表面溫升隨時間的變化曲線,整個測定過程結(jié)束。
 
激光閃射法
試驗裝置示意圖
 
試驗記錄:
1) 測試溫度; 
2) 熱擴散系數(shù);
3) 比熱容;
4) 密度; 
5) 樣品厚度。
 
樣品編號 測試方向 測試溫度(℃) 導熱系數(shù)(W/m•K) 熱擴散系數(shù)(mm^2/s) 比熱容(J/g/K) 密度(g/cm^3)
0921001 橫向 28.0 177.887 75.028 0.886 2.676
縱向 28.0 2.817 1.188 0.886 2.676
備注:導熱系數(shù)=密度×比熱容×熱擴散系數(shù);測試溫度不同相關(guān)參數(shù)會有明顯不同。
 
B.設(shè)備照片:
 
激光閃射法
 
3. 結(jié)論
由以上測試分析結(jié)果可知,該款石墨紙樣品的在溫度為28℃時的導熱系數(shù)(K)橫向=177.887 W/m•k,(K)縱向=2.817 W/m•k.
從測試數(shù)據(jù)可以明顯看出石墨相關(guān)合成材料的水平熱擴散系數(shù)遠遠高于垂直熱擴散系數(shù),因此在實際的應(yīng)用領(lǐng)域使用方可重點關(guān)注其水平方向的熱擴散性能。
 
4. 參考標準
ASTM E1461-13用閃光法測定熱擴散率的標準試驗方法
 
*****結(jié)束*****
 
作者簡介:
MTT(美信檢測)是一家從事材料及零部件品質(zhì)檢驗、鑒定、認證及失效分析服務(wù)的第三方實驗室,網(wǎng)址:www.baoxiande.cn,聯(lián)系電話:400-850-4050。
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