Метод лазерной вспышки
Существующие методы определения теплопроводности материала подразделяют на стационарные и нестационарные.
Метод лазерной вспышки (метод лазерного импульса) относится к группе нестационарных методов, которые, в отличие
от стационарных, не требуют длительного времени для установления теплового равновесия.
Основными достоинствами этого метода являются:
- экспрессность, собственно измерение длится секунды
- малые размеры исследуемых образцов
- при помощи одного и того же инструмента исследуется широкий диапазон свойств, например, для приборов Aнтер (термическая диффузия - 0.001 … 10
см2/с, теплопроводность- 0.1 ... 2000 Вт/м*K)
- при помощи одного прибора можно определять термическую диффузию, теплопроводность и теплоемкость
- высокая точность
- более широкий интервал температур, чем для стационарных методов (возможны испытания расплавов)
К недостаткам метода относятся прежде всего:
- высокая стоимость аппаратуры
- повышенные требования к условиям эксперимента при испытании пористых и негомогенных материалов
Сущность метода
Сущность метода лазерной вспышки состоит в том, что короткий импульс лучистой энергии поглощается в тонком слое
фронтальной поверхности плоского образца - "таблетки". Вызванное этим возмущение температуры (рис.1, 2) регистрируется на тыльной
поверхности образца.
Рис.1. Схема метода лазерной вспышки
Рис.2. График изменения температуры на тыльной поверхности образца в зависимости от времени.
А – идеальная кривая; B, C – реальные кривые
Полученная в этом случае информация содержит данные, связанные с коэффициентом температуропроводности
(термической диффузии), теплоемкостью и теплопроводностью образца:
Для интерпретации результатов применяется метод, разработанный Паркером.
Оригинальный метод Паркера применяется при следующих допущениях (идеальная модель):
- адиабатный, гомогенный, изотропный образец
- однородный импульсный нагрев
- стремящаяся к 0 длительность импульса (импульс должен описываться распределением Дирака)
При облучении идеального образца при идеальных условиях температура обратной поверхности образца после облучения
возрастает до определенного значения и затем остается постоянной (рис.2, кривая А)
На практике перечисленные идеальные условия труднодостижимы, поэтому на реальных кривых (рис.2, кривые B и C) наблюдается
максимум , после достижения которого значения начинают уменьшаться.
Для применения данного метода к реальным условиям, были разработаны различные техники и модели, учитывающие неидеальность
условий эксперимента:
- потери тепла и излучение поверхности образца,
- конечность лазерного импульса,
- неоднородность импульсного нагрева,
- негомогенность и неизотропность материала (например, в случае композитов).
Для учета потерь тепла и излучения поверхности образцы испытывают относительно образца сравнения или обрабатывают
поверхность специальными материалами (графит).
Отличие от 0 длительности импульса компенсируют при помощи специального преобразования (finite correction).
Остальные неидеальности учитываются при помощи специальных моделей, заложенных в программном обеспечении.
Определение коэффициента термической диффузии, теплоемкости
и теплопроводности по результатам эксперимента
Определение коэффициента термической диффузии
По зависимости температуры обратной поверхности образца (при помощи формулы 2) определяют температуропроводность (коэффициент термической
диффузии). Затем, зная поглощенную образцом энергию, толщину, диаметр и массу образца можно определить теплоемкость материала,
рассчитать плотность и теплопроводность материала.
Определение теплоемкости
Несмотря на то, что определение температуропроводности является абсолютным методом, теплоемкость определяют дифференциальным
методом: пробу испытывают относительно образца сравнения.
При этом очень важно выполнение модельных допущений Паркера или введение описанных выше поправок, учитывающих неидеальность условий.
отсюда
Для получения надежных результатов необходимо использовать автосэмплер. В этом случае тестирование пробы
проводится непосредственно после испытания образца сравнения при тех же самых термических условиях.
Расчет теплопроводности
Теплопроводность рассчитывается из данных по определению температуропроводности и теплоемкости. Теплоемкость может быть
определена либо методом лазерной вспышки как описано выше, либо независимо, при помощи дифференциального сканирующего калориметра.
Расчет проводится по формуле (4), из которой следует необходимость информации о плотности вещества.
Если известна масса и размеры пробы, то эта величина может быть легко рассчитана и введена в программу.
| 
