摘要：本文针对目前激光闪光法测试液体和颗粒物材料中常用的三层结构样品容器形式，分析了激光闪光法测试液体样品过程中的必要条件、影响因素和误差，特别分析了如何正确的选择激光加热能量大小和样品最佳厚度区间。

关键词：闪光法，激光闪光法，相变材料，液体，粉体，热扩散系数，导热系数，储能，蓄热

液体状和粉末颗粒状相变材料微观照片

​        激光闪光法热性能测试技术是基于薄片状样品的前表面吸收激光热脉冲以及无限大平板一维热传导问题的近似解。根据厚度为 样品背面温度随时间变化获得样品背面最大加热温度Tmax以及达到最大加热温度一半所需要的时间 。

        激光闪光法广泛用于固体材料热物理性能的测试，然而理论上研究激光闪光法测定液体及其化合物热物理特性的文献并不多，这是因为很难在短时间高能量激光加热条件下建立液体内部温度与导热性之间的可靠关系，而且在不发生液体过热沸腾前提下难以获得足够大样品背面温度信号。

        一般来说液体介质材料的导热系数普遍较低，这样造成使用激光闪光法测定液体介质热扩散系数的另一个问题是需要形成较薄的样品，从而使得样品制作和厚度精度保证上都会存在较大难度，并容易给测量结果带来较大影响。

        在采用激光闪光法测量液体介质或颗粒物热扩散系数时，常将被测样品放置在一个样品容器中，从而在激光闪光法测试中被测“样品”呈现出样品容器和样品形成的三层结构，外层是高导热金属或合金薄片，内层为液体或颗粒物。

        这种为液体和微细颗粒材料的热扩散系数测量开发的特制容器，如图 1和图 2所示。该特制样品容器由一个坩埚、不锈钢环和封装盖组成，将被测样品（约50ul）装入坩埚并装上封装盖，被测样品就会充满封装盖与坩埚之间约0.5mm厚的间隙，这个间隙就是被测样品厚度。装填完毕样品后，需要在坩埚底部和封装盖顶部中心区域涂覆石墨以确保表面具有较高发射率，从而形成对脉冲加热光具有良好的热量吸收以及对非接触红外探测器具有较强的热辐射。

图 1 激光闪光法液体和粉体样品测试专用容器​

图 2 特制样品容器形状和尺寸​

        针对不同的测试温度范围，特制容器的材质分别为铝合金（适用于500℃以下）和铂铑合金（适用于1600℃以下）。这种结构的样品容器只适合样品水平放置的直立式激光闪光法测试设备，即样品容器和样品为水平放置，激光器和背温探测器位于样品的上部或下部，这种结构的样品容器并不适合样品直立形式的激光闪光法测试设备。

        需要注意的是，在采用图 1和图 2所示特制容器进行样品热扩散系数测试时必须采用三层分析程序对背温检测信号进行处理，即坩埚底层、被测样品和封装盖中心层形成一个三层夹心结构的被测样品，需要已知坩埚和封装盖材料的热性能后再通过三层分析程序对背温测量信号进行计算处理才能得到被测样品的热扩散系数。如果要获得被测样品的导热系数，还需要采用其它方法测量被测样品的比热容和密度随温度的变化。

        在样品容器的热面和冷面不存在热交换情况下，短时间激光热脉冲施加到样品容器表面时，这就是个三层无限大平板一维瞬态热传导模型（激光吸收层除外），如图 3所示。对于解决传热问题，可以使用数学建模技术进行求解。

图 3 三层结构液体样品激光闪光法测试模型​

        闪光法测量中可以调节加载到样品表面的加热功率q受限制，但实际上该值不可能无限大。另一方面，激光脉冲功率密度会导致液体样品的温度升高而发生相变或沸腾，这将显著增加导热系数的测量误差（例如乙醇沸点Tb=351.4 K）。因此，数值模拟的任务之一是确定测试过程中在样品容器-液体边界上可接受的最大激光脉冲能量密度q。

        在图 4(a)中显示了在三个不同时刻相当典型的1mm厚乙醇层样品内部温度分布图T(Δ)，不同激光能量P=5.14和25J（分别用4、5、6表示），三个不同时刻t=1.5、100和1000ms（分别用1、2、3表示）。在脉冲完成后，在介质界面L1处的液体加热表面上的温度继续增长，在t = 100msec时达到最大值314K（图 4中的曲线2），这是因为激光脉冲结束后，来自样品容器钢壁材料积聚的热量加热液体，在低导热液体时使得薄边界层的温度升高。随着时间的推移发生液体深层的传热，介质界面的温度降低（图 4中的曲线3）。

图 4 不同激光能量和三个不同时刻下的温度分布T(Δ)

        数值分析表明，在闪光法中限制（最大）激光脉冲能量密度对于低导热液体的热扩散系数测量有非常大的必要性。 在图 4(b)中显示了在各种不同激光脉冲能量P下1mm厚乙醇样品层中的温度分布T(Δ)，由此可见随着P值的增加，液体温度升高，P = 18J达到该有机液体沸腾点（351.4 K）。

        通过数值模拟，可以确定激光闪光法在不存在沸腾情况下典型有机液体热扩散系数测量的最小误差， 在P = 3.1J和τp= 1 msec时，计算出的乙醇热扩散系数a为0.11mm2/s，与参考值相差0.3％。

        通过激光脉冲法进行实验，需要选择最有效和可靠的测量结果a，并对所研究样品材料的最佳厚度Δ进行选择。固体材料的研究结果表明，该因素对计算热扩散系数的误差有显着影响。

        在图 5中，显示了在求解方程(2)和(3)中后获得的乙醇热扩散系数误差δa对样品厚度的依赖关系，通过数值模拟确定误差百分比δa值基本上取决于样品厚度Δ：随着样品厚度Δ增加，当Δ= 1.5mm时δa值增加并达到37％。δa的显着变化是由于所测试的液体样品导热系数低，随着样品厚度Δ增加，样品容器冷边界处Tmax温度降低，导致δa值较大。

图 5 乙醇热扩散系数测试误差百分比随液体样品层厚度的变化​

        由此基于数值研究结果，确定了激光脉冲法可以有效用于测定低导热液体的导热系数随温度的变化，当使用样品容器中测试热扩散系数时，需要确定激光加热能量密度（无相变和液体沸腾）的最大允许值以及热扩散系数误差的最小液体厚度。 返回小木虫查看更多