差示掃描量熱儀和激光導(dǎo)熱儀聯(lián)用測(cè)定材料導(dǎo)熱系數(shù)

鄧 元,魏曉星,何淑淀,蔣劍雄,來(lái)國(guó)橋

(杭州師范大學(xué)有機(jī)硅化學(xué)及材料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州310012)

差示掃描量熱儀和激光導(dǎo)熱儀聯(lián)用測(cè)定材料導(dǎo)熱系數(shù)

鄧 元,魏曉星,何淑淀,蔣劍雄,來(lái)國(guó)橋

(杭州師范大學(xué)有機(jī)硅化學(xué)及材料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州310012)

介紹了測(cè)量材料導(dǎo)熱系數(shù)的幾種方法,對(duì)目前最常用的激光法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的原理進(jìn)行了闡述.重點(diǎn)介紹差示掃描量熱儀(DSC)和激光導(dǎo)熱儀聯(lián)用技術(shù),將DSC測(cè)得精確的比熱容數(shù)據(jù)應(yīng)用在導(dǎo)熱測(cè)量中,以得到精確的導(dǎo)熱系數(shù).

比熱容;熱擴(kuò)散系數(shù);導(dǎo)熱系數(shù)

隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展,新材料的合成和研究受到了人們?cè)絹?lái)越多的重視.各種新材料的出現(xiàn),使得人們對(duì)這些新材料的性能檢測(cè)也提出了更高的要求,這給分析工作者帶來(lái)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(shí)和大氣摩擦所產(chǎn)生的高溫以防止內(nèi)部部件的損壞;電子工作領(lǐng)域使用的微小陶瓷,既要保護(hù)集成電路板與電子設(shè)備不被高溫?zé)龤?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(dǎo)電性能,又需要有耐高溫和散熱性能.了解這些新材料的導(dǎo)熱等物理性質(zhì),已成為科技工作者不得不面對(duì)的一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題.在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)里,計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展帶動(dòng)了新的測(cè)試方法和儀器的快速發(fā)展,但在某一應(yīng)用領(lǐng)域,對(duì)于新材料物理性能的精確測(cè)量并非通過(guò)一種儀器就可以輕松完成的.因此,要得到精確的導(dǎo)熱測(cè)量結(jié)果,必須根據(jù)材料的導(dǎo)熱系數(shù)范圍與樣品特征,選擇合適的測(cè)試方法.

1 導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定

1.1 導(dǎo)熱法的分類(lèi)

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

相對(duì)于其它方法,激光導(dǎo)熱法具有試樣尺寸小、樣品制備簡(jiǎn)單、測(cè)量溫度范圍和導(dǎo)熱系數(shù)范圍廣以及重復(fù)性和精確性高的特點(diǎn).以實(shí)驗(yàn)室購(gòu)買(mǎi)的德國(guó)耐馳公司生產(chǎn)的型號(hào)為L(zhǎng)FA 457激光導(dǎo)熱儀為例:測(cè)量溫度范圍寬,最高能達(dá)2 000℃;導(dǎo)熱系數(shù)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(cè)量.因此,目前全世界熱擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量一半以上都是使用該方法.

1.2 激光導(dǎo)熱法的測(cè)量原理

以型號(hào)LFA 457的激光導(dǎo)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(duì)試樣進(jìn)行均勻加熱,使用紅外檢測(cè)器連續(xù)測(cè)量樣品上表面相應(yīng)溫升過(guò)程,最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析.在絕熱的條件下,得到如下的公式:

其中:a為熱擴(kuò)散系數(shù)(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(shí)間(s).

由上式得到熱擴(kuò)散系數(shù).導(dǎo)熱系數(shù)最常用的測(cè)量方法之一是測(cè)量熱擴(kuò)散系數(shù)(a)、比熱容(cp)和密度(ρ)隨溫度的變化,然后根據(jù)下式計(jì)算[1-3]:

一般在室溫下測(cè)量密度,其隨溫度的變化可使用線(xiàn)膨脹系數(shù)表進(jìn)行修正.比熱容可在測(cè)量中使用比較法與熱擴(kuò)散系數(shù)同時(shí)測(cè)得,即進(jìn)行參比物質(zhì)和待測(cè)樣品的比較.但是測(cè)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(zhì),這對(duì)于大多數(shù)新材料測(cè)試來(lái)說(shuō),比較困難.并且通過(guò)比較得到的比熱容數(shù)據(jù)誤差很大,造成最終計(jì)算得到的導(dǎo)熱數(shù)據(jù)不可靠.因此,通過(guò)其它途徑測(cè)得準(zhǔn)確可靠的比熱容數(shù)據(jù),是得到精確的導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)鍵因素之一.目前,采用差示掃描量熱儀測(cè)量比熱容是公認(rèn)的最可靠、最準(zhǔn)確的方法并得到廣泛的應(yīng)用.在此,引入一種新的測(cè)量方法,即利用差示掃描量熱儀進(jìn)行比熱容的精確測(cè)量,再由差示掃描量熱儀和激光導(dǎo)熱儀聯(lián)用來(lái)測(cè)材料的導(dǎo)熱系數(shù).

1.3 DSC測(cè)定比熱的原理和方法

差示掃描量熱法是測(cè)量輸入到試樣和參比物的熱流量差或功率差與溫度或時(shí)間的關(guān)系的一種方法.根據(jù)此原理設(shè)計(jì)得到差示掃描量熱儀.比熱容定義為單位質(zhì)量樣品每升高1℃所需要吸收的能量,DSC測(cè)定比熱容就是依據(jù)該定義來(lái)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(nèi)測(cè)定基線(xiàn);2)在溫度范圍內(nèi)測(cè)定已知比熱容的DSC曲線(xiàn)(以藍(lán)寶石為例);3)在上述溫度范圍內(nèi)測(cè)定待測(cè)樣品的DSC曲線(xiàn).計(jì)算公式如下所示.

式中,m1表示藍(lán)寶石質(zhì)量(mg);m2表示樣品的質(zhì)量(mg);Y1表示溫度為t1時(shí)樣品的DSC值;Y2表示溫度為t1時(shí)藍(lán)寶石的DSC值;Y0表示溫度為t1時(shí)基線(xiàn)的DSC值(圖1);cp1表示溫度為t1時(shí)藍(lán)寶石的比熱容值.

2 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定實(shí)例

圖1 基線(xiàn)、藍(lán)寶石和樣品的DSC曲線(xiàn)Fig.1 The DSC curves of the baseline, sapphire and sample

選取實(shí)驗(yàn)室自制的2個(gè)橡膠樣品進(jìn)行比熱容測(cè)試,使用的是TA儀器公司的型號(hào)為Q100的差示掃描量熱儀.同樣以藍(lán)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(jìn)行比熱容計(jì)算,計(jì)算結(jié)果輸入到導(dǎo)熱儀的程序中,以供下一步的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定所用.

選取2個(gè)不同的單層圓形橡膠樣品,在25℃、50℃、100℃處各收集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn).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(shè)定這兩個(gè)樣品均沒(méi)有受熱膨脹.測(cè)試過(guò)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(cè)器檢測(cè)溫度信號(hào).

用DSC和激光導(dǎo)熱儀分別測(cè)量2個(gè)樣品的比熱容數(shù)據(jù),結(jié)果見(jiàn)表1.再分別把2種儀器測(cè)得的樣品的比熱容數(shù)據(jù)輸入到激光導(dǎo)熱儀的程序中,計(jì)算出各溫度下樣品的導(dǎo)熱系數(shù),所得結(jié)果見(jiàn)表2.

表1 采用2種不同儀器測(cè)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(jì)算得到的樣品的導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱儀用參比測(cè)出的樣品的比熱容和由此計(jì)算出的樣品的導(dǎo)熱系數(shù),與由差示掃描量熱儀先對(duì)樣品各溫度下的比熱容進(jìn)行精確的測(cè)量,再由激光導(dǎo)熱儀計(jì)算得出的各溫度下樣品的導(dǎo)熱系數(shù)是存在很大差別的.

樣品的分析實(shí)驗(yàn)表明:直接使用激光導(dǎo)熱儀用參比測(cè)出的樣品的比熱容并由此計(jì)算出的樣品的導(dǎo)熱系數(shù),與由差示掃描量熱儀先對(duì)樣品各溫度下的比熱容進(jìn)行精確的測(cè)量,再由激光導(dǎo)熱儀計(jì)算得出各溫度下樣品的導(dǎo)熱系數(shù)相差很大.鑒于使用差示掃描量熱儀對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)量計(jì)算得到比熱容數(shù)據(jù),是公認(rèn)的最可靠、最準(zhǔn)確的方法,因而使用差示掃描量熱儀通過(guò)計(jì)算得到比熱容數(shù)據(jù),并和激光導(dǎo)熱儀聯(lián)用能夠得到精確的導(dǎo)熱系數(shù),是一條準(zhǔn)確測(cè)量材料導(dǎo)熱系數(shù)的好途徑.

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

[3]Jurgen Blumm.導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)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(dǎo)論:第三冊(cè)[M].劉振海,李春鴻,譯.2版.北京:化學(xué)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(xiàng)目(20070454).

鄧 元(1980—),男,山東滕州人,實(shí)驗(yàn)師,碩士,主要從事分析化學(xué)研究.E-mail:dengyuan1980@126.com