差示扫描量热仪和激光导热仪联用测定材料导热系数

邓 元,魏晓星,何淑淀,蒋剑雄,来国桥

(杭州师范大学有机硅化学及材料技术教育部重点实验室,浙江杭州310012)

差示扫描量热仪和激光导热仪联用测定材料导热系数

邓 元,魏晓星,何淑淀,蒋剑雄,来国桥

(杭州师范大学有机硅化学及材料技术教育部重点实验室,浙江杭州310012)

介绍了测量材料导热系数的几种方法,对目前最常用的激光法测量导热系数的原理进行了阐述.重点介绍差示扫描量热仪(DSC)和激光导热仪联用技术,将DSC测得精确的比热容数据应用在导热测量中,以得到精确的导热系数.

比热容;热扩散系数;导热系数

随着社会的进步和科技的发展,新材料的合成和研究受到了人们越来越多的重视.各种新材料的出现,使得人们对这些新材料的性能检测也提出了更高的要求,这给分析工作者带来了前所未有的挑战.新材料的热性能分析就是其中重要的组成部分,例如:航天器所使用的外层材料,需要承受航天器返回地球大气层时和大气摩擦所产生的高温以防止内部部件的损坏;电子工作领域使用的微小陶瓷,既要保护集成电路板与电子设备不被高温烧毁,又要作为热量的散热器;同样作为微电子工业中所使用的塑料,既要求有良好的导电性能,又需要有耐高温和散热性能.了解这些新材料的导热等物理性质,已成为科技工作者不得不面对的一个严峻的问题.在过去的半个世纪里,计算机的高速发展带动了新的测试方法和仪器的快速发展,但在某一应用领域,对于新材料物理性能的精确测量并非通过一种仪器就可以轻松完成的.因此,要得到精确的导热测量结果,必须根据材料的导热系数范围与样品特征,选择合适的测试方法.

1 导热系数的测定

1.1 导热法的分类

由于仪器分析技术的快速发展,现在测量导热系数的仪器和方法很多,主要分为两大类:一类是用于高温条件下或者测量导热系数比较高的材料的动态法;另一类是适合于中低温度条件或者中低导热系数的材料的稳态法.动态法又可以分为热线法和激光导热法,稳态法分为热流法、保护热板法和保护热线法.

相对于其它方法,激光导热法具有试样尺寸小、样品制备简单、测量温度范围和导热系数范围广以及重复性和精确性高的特点.以实验室购买的德国耐驰公司生产的型号为LFA 457激光导热仪为例:测量温度范围宽,最高能达2 000℃;导热系数覆盖范围广,从普通的绝热塑料0.05 W/(m·K)至金刚石的2 000 W/(m·K)均能测量.因此,目前全世界热扩散系数的测量一半以上都是使用该方法.

1.2 激光导热法的测量原理

以型号LFA 457的激光导热仪为例,在炉体控制的一定温度下,由激光源发射光脉冲均匀照射在圆柱体样品的下表面,对试样进行均匀加热,使用红外检测器连续测量样品上表面相应温升过程,最后对数据进行数学分析.在绝热的条件下,得到如下的公式:

其中:a为热扩散系数(cm2/s);d为样品厚度(cm);t0.5为样品上表面温度升高50%所需的时间(s).

由上式得到热扩散系数.导热系数最常用的测量方法之一是测量热扩散系数(a)、比热容(cp)和密度(ρ)随温度的变化,然后根据下式计算[1-3]:

一般在室温下测量密度,其随温度的变化可使用线膨胀系数表进行修正.比热容可在测量中使用比较法与热扩散系数同时测得,即进行参比物质和待测样品的比较.但是测试需要的条件很多且比较苛刻,尤其是需要挑选比热容大小相似的参比物质,这对于大多数新材料测试来说,比较困难.并且通过比较得到的比热容数据误差很大,造成最终计算得到的导热数据不可靠.因此,通过其它途径测得准确可靠的比热容数据,是得到精确的导热系数的关键因素之一.目前,采用差示扫描量热仪测量比热容是公认的最可靠、最准确的方法并得到广泛的应用.在此,引入一种新的测量方法,即利用差示扫描量热仪进行比热容的精确测量,再由差示扫描量热仪和激光导热仪联用来测材料的导热系数.

1.3 DSC测定比热的原理和方法

差示扫描量热法是测量输入到试样和参比物的热流量差或功率差与温度或时间的关系的一种方法.根据此原理设计得到差示扫描量热仪.比热容定义为单位质量样品每升高1℃所需要吸收的能量,DSC测定比热容就是依据该定义来确定的[4]:

在温度差相同的条件下:

式中的Q由DSC中的热流差就可以得到.具体步骤如下:1)在温度范围内测定基线;2)在温度范围内测定已知比热容的DSC曲线(以蓝宝石为例);3)在上述温度范围内测定待测样品的DSC曲线.计算公式如下所示.

式中,m1表示蓝宝石质量(mg);m2表示样品的质量(mg);Y1表示温度为t1时样品的DSC值;Y2表示温度为t1时蓝宝石的DSC值;Y0表示温度为t1时基线的DSC值(图1);cp1表示温度为t1时蓝宝石的比热容值.

2 导热系数测定实例

图1 基线、蓝宝石和样品的DSC曲线Fig.1 The DSC curves of the baseline, sapphire and sample

选取实验室自制的2个橡胶样品进行比热容测试,使用的是TA仪器公司的型号为Q100的差示扫描量热仪.同样以蓝宝石作为参考物,以10℃/min升温,用氦气作为吹扫气,20 m l/min的气流量,分别在25℃、50℃、100℃用上述方法进行比热容计算,计算结果输入到导热仪的程序中,以供下一步的导热系数测定所用.

选取2个不同的单层圆形橡胶样品,在25℃、50℃、100℃处各收集一个数据点.其中样品1的密度为1.163 g/cm3,厚度为2.07 mm,直径为12.72 mm;样品2的密度为1.166 g/cm3,厚度为2.04 mm,直径为12.73 mm,设定这两个样品均没有受热膨胀.测试过程中所用激光电压为2 018 V,升温速率为1℃/min,以陶瓷样品为参比,使用MCT检测器检测温度信号.

用DSC和激光导热仪分别测量2个样品的比热容数据,结果见表1.再分别把2种仪器测得的样品的比热容数据输入到激光导热仪的程序中,计算出各温度下样品的导热系数,所得结果见表2.

表1 采用2种不同仪器测得的样品的比热容Tab.1 Specific heat capacity of materials obtained from two different instruments

表2 由2种仪器所得cp值计算得到的样品的导热系数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,直接使用激光导热仪用参比测出的样品的比热容和由此计算出的样品的导热系数,与由差示扫描量热仪先对样品各温度下的比热容进行精确的测量,再由激光导热仪计算得出的各温度下样品的导热系数是存在很大差别的.

样品的分析实验表明:直接使用激光导热仪用参比测出的样品的比热容并由此计算出的样品的导热系数,与由差示扫描量热仪先对样品各温度下的比热容进行精确的测量,再由激光导热仪计算得出各温度下样品的导热系数相差很大.鉴于使用差示扫描量热仪对样品进行测量计算得到比热容数据,是公认的最可靠、最准确的方法,因而使用差示扫描量热仪通过计算得到比热容数据,并和激光导热仪联用能够得到精确的导热系数,是一条准确测量材料导热系数的好途径.

3 结 论

[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]德国耐驰仪器制造有限公司.LFA 457仪器操作手册[S].上海:耐弛仪器(上海)有限公司,2009:2-3.

[3]Jurgen Blumm.导热系数测量方法及仪器[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,小川雅弥,加藤俊二,等.仪器分析导论:第三册[M].刘振海,李春鸿,译.2版.北京:化学工业出版社,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

浙江省教育厅一般项目(20070454).

邓 元(1980—),男,山东滕州人,实验师,硕士,主要从事分析化学研究.E-mail:dengyuan1980@126.com