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1、背景描述

 

導(dǎo)熱系數(shù)是表征材料導(dǎo)熱性能的一個重要參數(shù)，它不僅是評價材料熱學(xué)特性的依據(jù)，也是材料在設(shè)計應(yīng)用時的一個依據(jù)。目前，測量導(dǎo)熱系數(shù)的實驗多以固體為測試樣品。對于液體，由于導(dǎo)熱系數(shù)較小，基本屬于不良導(dǎo)熱體，而且液體具有流動性，特別是在加熱時，液體內(nèi)因溫差而形成的對流將使其導(dǎo)熱系數(shù)的準確性降低。而隨著近年來納米流體具有優(yōu)異的傳熱性能，成為了一種新型的導(dǎo)熱介質(zhì)，滿足了熱系統(tǒng)高負荷的傳熱冷卻要求和微尺度狀態(tài)下的強化傳熱要求，在殼管式、雙管式、平板式等不同類型換熱器中的傳熱研究需求也不斷增大，廣泛應(yīng)用于汽車、化工、太陽能集熱等不同領(lǐng)域。這也對液體的導(dǎo)熱性能測試提出了需求，現(xiàn)目前已有導(dǎo)熱性能的測試手段有6種，根據(jù)傳熱的特點和原理進行劃分。文獻調(diào)研統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，液體導(dǎo)熱系數(shù)測試多以穩(wěn)態(tài)平板法為主，但在重復(fù)穩(wěn)態(tài)測量時，即使設(shè)定加熱盤和環(huán)境溫度不變，穩(wěn)態(tài)所對應(yīng)的樣品上下表面的電壓也有起伏，由于其差值比較小，其值的微小變化會對結(jié)果造成比較大的影響，而且需要通過其他軟件進行相關(guān)結(jié)果的擬合。而非穩(wěn)態(tài)中激光閃射法具有適用性強，測試結(jié)果精確等特點，而且本身帶有測試液體的樣品支架和軟件擬合模型，如圖1所示。

                                             

 

圖1 樣品框圖（左圖為樣品和支架圖，右圖為實體樣品支架）

 

 

圖2 儀器結(jié)構(gòu)示意圖

 

其測試原理為：當(dāng)進行樣品Z軸方向上測試，一定的設(shè)定溫度 T（恒溫條件）下，由激光源（或閃光氙燈）在瞬間發(fā)射一束光脈沖，均勻照射在樣品下表面，使其表層吸收光能后溫度瞬時升高，并作為熱端將能量以一維熱傳導(dǎo)方式向冷端（上表面）傳播，使用紅外檢測器連續(xù)測量上表面中心部位的相應(yīng)溫升過程，如圖2所示。因此，需要對激光閃射導(dǎo)熱儀的液體測試方法進行開發(fā)。

 

2、案例解決過程

 

（1）  目前存在問題

 

A、  激光閃射法測試液體的方法尚未開發(fā)，目前測試的方法存在著儀器誤差所占比例比較大，穩(wěn)態(tài)溫差值和冷卻速率值的誤差大小是影響導(dǎo)熱系數(shù)誤差大小的兩個主要因素。

 

B、 穩(wěn)態(tài)平板法結(jié)果擬合需要借助其他數(shù)據(jù)分析軟件，不同分析軟件的選擇對測試結(jié)果的誤差不同，會造成數(shù)據(jù)結(jié)果不穩(wěn)定。

 

C、對于液體測試需求大，已無法滿足測試業(yè)務(wù)量增長需求。

 

（2）  現(xiàn)狀分析

 

目前，LFA467激光導(dǎo)熱閃射儀配置了現(xiàn)有的液體樣品測試模具和自帶的軟件分析模型，如圖3和4所示。而對于液體來說，其為三層樣品，若其中兩層為已知層（熱擴散系數(shù)已知） ，另一層為未知層（熱擴散系數(shù)未知，可為上、中、下三層中的任意一層），在三層的其他參數(shù)（厚度、密度、比熱）均為已知的情況下，使用LFA進行三層模式測試，可以計算得到未知層的熱擴散系數(shù)。

 

 

圖3 液體樣品支架

 

 

圖4 液體分析模型

 

（3）  液體樣品要求

 

 

3、實施過程

 

 

圖5 理想升溫和分析參數(shù)關(guān)系圖

 

由擬合溫升曲線可見，半升溫時間和溫升曲線的穩(wěn)定走向有關(guān)，溫升曲線擬合性越好，信號接收越強，熱擴散系數(shù)擬合結(jié)果越穩(wěn)定。本案例將采用激光閃射法測試液體樣品的熱擴散系數(shù)，擬合測試結(jié)果選取“三層修正+脈沖模型”，最后進行測試方法重復(fù)性和穩(wěn)定性進行驗證。

 

4、可行性研究

 

主要儀器：LFA467激光閃射導(dǎo)熱儀。

（1）  測試實施過程：

A.  試樣制備及測試

輸入利用密度計測量的粘體密度的平均值作為測量密度值，并利用激光閃射法測試樣品的熱擴散系數(shù)。

 

 

圖6 測試樣品示意圖

 

B.  測試結(jié)果數(shù)據(jù)擬合分析

據(jù)測試溫升曲線顯示（如圖7閃所示），觀測溫升曲線與擬合溫升曲線的重現(xiàn)性較好，可選用激光閃射法進行導(dǎo)熱測試。

 

 

圖7 測試的溫升擬合曲線

 

表3 不同三層模型擬合液體熱擴散系數(shù)結(jié)果

 

 

實驗結(jié)果表明：

1） 液體的熱擴散系數(shù)測試結(jié)果標準偏差為4.3%，而激光閃射儀測量擬合誤差為±5%，在誤差范圍內(nèi)，說明利用激光閃射法測試液體的導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)果是可取的。

 

2） 選用三層的擬合模型需要考慮正面和背面的熱損失，采用“三層+脈沖修正”模型擬合熱擴散系數(shù)的不確定度低，質(zhì)量越高，水平越高，其結(jié)果可信度比三層絕熱模型擬合的高。此外，通過R2擬合結(jié)果說明其計算范圍越寬，擬合模型對于測量總體變差的解釋程度就越高。因此，需要在測試液體熱擴散系數(shù)時選用“三層+脈沖修正”模型。

 

案例分析

 

從測試結(jié)果和擬合數(shù)據(jù)可以看出，儀器本身自帶的樣品框和測試結(jié)果分析軟件可以滿足對液體導(dǎo)熱系數(shù)測試的需求，保證了測試結(jié)果的穩(wěn)定性，而且激光閃射導(dǎo)熱儀的測試溫域?qū)?、周期短等特點可有效地提高測試效率。

 

經(jīng)驗與建議

 

對于激光閃射法導(dǎo)熱系數(shù)的測試，需要充分利用儀器測試材料適應(yīng)性廣的特點，從自帶軟件中選用合適的計算模型，進行測試方法開發(fā)來滿足業(yè)務(wù)需求。