激光闪光法参数设定对石墨热扩散系数测定影响探究

方奇，郑会保，张霞，丁文皓，王惠馨

（中国兵器工业集团第五三研究所，济南 250000）

1 前言

由Angstrom在1861年提出了非稳态法测量材料的热扩散系数开始，材料的热扩散系数表征不断发展出新的测试方法与装置，其中激光闪光法作为应用最广的非稳态测试方法也受到了更多的关注[1]。其可测试温度范围非常宽，可从液氮温度至2800℃，可测试材料范围大，已拓展到固体材料、复合材料、薄膜材料、粉末材料、液态材料等多种不同状态材料。且该方法测试周期短，准确性较高，激光闪光法正因其多种特点优势受到研究者的青睐。

石墨材料是由石墨质碳组成的无机非金属材料，经高温纯化后可获得高纯石墨材料。高纯石墨材料在常温下或充满保护气氛的高温条件下有着极高的物理和化学稳定性，低热膨胀系数和高导热率，在高纯度的保护气氛中可在3000℃条件下保证性能稳定。高纯石墨的高可靠性使其在化工、电子、冶金、机械、医药和航空航天等领域有着广泛的应用，在现代工业的发展过程中扮演者不可或缺的角色[2]。因此石墨热扩散系数的准确测定对于石墨的应用有着重要的意义。

在激光闪光法测定样品热扩散系数过程中，测试参数作为限制设备运行控制命令，在整个测试过程中起到重要作用，其中激光脉冲宽度和激光电压是两个对激光能量产生影响的主要参数。本文通过调整不同参数对石墨样品进行了热扩散系数的测试，通过系统分析找出这两种试验参数对试验结果的影响规律。

2 石墨热扩散系数的测定

2.1 试验设备

本研究所使用的设备为德国耐驰公司生产的NETZSCH LFA427激光导热仪，采用单一激光光束光源，设备炉体为高温炉，水冷循环降温，氦气气氛保护。背温升信号由红外非接触式测温方式采集，样品支架和中心锥均为石墨材质。设备电压强度范围为600~750V，脉冲宽度范围为0.1~1.5ms。试验所采用的NETZSCH LFA427激光导热仪测试原理如下图1所示[3]。

图1 激光导热仪测试原理图Fig.1 Schematic diagram of laser thermal conductivity testing instrument

试验过程中，样品下表面所接受的激光能量主要由激光器接收到的电压强度和脉冲宽度这两个参数影响，这两个参数所确定的激光能量可由其在坐标中表示，其中激光脉冲宽度为横坐标，电压强度为纵坐标，激光能量强度表现为电压强度峰在坐标中的面积积分，具体表现形式如下图2所示。

图2 激光能量计算示意图Fig.2 Schematic diagram of laser energy calculation

2.2 结构表征和性能测试

利用阿基米德排水法测试试样的体积密度和开孔率。采用日本Rigaku D/max-c型X射线衍射仪测定碳化纤维的结构参数，实验过程中Ni滤波，CuKα为辐射源，X射线波长λ＝0.15418nm，加速电压为40kV，电流强度为50mA，设定扫描间隔为0.02°，扫描速度为3°/min，扫描衍射角2θ，范围为5~50°。将碳化纤维用导电胶黏在样品台上，喷金处理后用JSM-6700F型场发射扫描电镜观察纤维表面。

2.2 样品制备及处理

石墨样品是以煅烧石油焦和中温煤沥青作为原料，通过混捏、压型、焙烧以及石墨化、卤素纯化处理所获得的石墨结构，经二次纯化处理后得到纯度较高的石墨样品。对得到的石墨样品进行了EDS能谱分析，结果如下图3、图4，其成分碳含量为99.9%，为高纯石墨样品。

图3 石墨材料EDS分层图像Fig.3 Graphite material EDS layering diagram

图4 元素能量谱图Fig.4 Elemental energy spectrum

纯化处理后的石墨样品尺寸较大，因此需根据测试所需样品规格进行二次加工，根据《GB/T22588-2008》中对样品尺寸要求，样品的平行度的误差应保证在0.5%以内[4]。通过分割打磨，最终获得直径为12.7mm厚度为3mm的石墨样片。由于加工过程中最后一步为铣磨工艺，得到的样品上下两表面光滑平整，为了避免样品在测试过程中出现激光能量被样品反射的情况出现，对样品上下两表面进行石墨导电漆喷涂处理，使样品更好吸收激光能量。

3 样品测试及结果分析

为探究设备激光参数对实验结果的影响，共设置了四组不同参数的对比试验，同时为控制其他变量，实验环境温度为100℃，样品厚度为3mm。在试验过程中发现，当激光脉冲宽度为0.1ms的情况下，无论怎样改变电压强度，激光能量均无法达到样品背表面，检测器无法测出背温升信号，因此将测试的最低脉冲宽度调整为0.2ms。试验激光参数分别为600V、02.~1.5ms（脉冲宽度间隔为0.2ms），750V、0.2~1.5ms（ 脉 冲 宽 度 间 隔 为 0.2ms），600~750V（电压强度间隔20V）0.2ms，600~750V（电压强度间隔20V）1.5ms。所得试验结果如下。

图5和图6是两组不同电压强度的脉冲宽度-热扩散系数曲线。从图5和图6中可以看出，测试过程中不同的激光脉冲宽度设定对试验结果有着明显影响，随着激光脉冲的增加，热扩散系数逐渐减小。同时，为了避免电压强度对试验结果可能产生的影响，设置了低电压和高电压两组试验进行对比，试验结果表明不同电压并未影响随脉冲宽度增加热扩散系数减小这一趋势。

图5 电压强度600V下热扩散系数随脉冲宽度变化趋势图Fig.5 Variation trend of thermal diffusion coefficient with pulse width under voltage intensity 600V

图6 电压强度750V下热扩散系数随脉冲宽度变化趋势图Fig.6 Variation trend of thermal diffusion coefficient with pulse width under voltage intensity 750V

图7和图8是两组不同脉冲宽度的电压强度-热扩散系数曲线。从图8中可以看出，随电压强度的增加，热扩散系数明显呈减小的趋势。同样，为了验证脉冲宽度是否会对这一趋势产生影响，对比了0.2ms脉冲宽度和1.5ms脉冲宽度条件下电压强度和热扩散系数关系，从图7中可以看出，随着电压强度的的增加，热扩散系数并没有明显的减小，产生这一情况的原因是由于激光脉冲宽度过小，激光电压强度变化不能明显改变激光能量大小，因此电压强度的变化对热扩散系数结果的影响很小。

图7 脉冲宽度0.2ms下热扩散系数随电压强度变化趋势图Fig.7 Variation trend of thermal diffusion coefficient with voltage intensity under pulse width of 0.2ms

图8 脉冲宽度1.5ms下热扩散系数随电压强度变化趋势图Fig.8 Variation trend of thermal diffusion coefficient with voltage intensity under pulse width of 1.5ms

石墨材料的导热性能是材料本身的特性，对于同一种材料同一温度点的条件下，材料的导热性能参数应较为稳定，因此石墨热扩散系数产生以上变化情况考虑应为激光强度的影响。激光闪光法测量材料热扩散系数计算公式为：

式中，α为热扩散系数，L为样品厚度，t1/2为样品背面温度升至最高所需时间的一半。由公式可知，在样品确定的条件下，影响样品热扩散系数的另一系数就是样品的背温升时间。影响背温升时间的因素是热流密度和总热量，根据傅里叶定律有如下公式：

式中，JT表示热流密度，-表示传热方向，κ表示热导率，dT/dx表示温度梯度。由公式可知，随温度梯度的增大，样品内热流密度增大，传热速率变快，但同时总能量变高因此样品背表面升至最高温度时间变长，相反，在激光能量较小的情况下虽然热流密度较小，但总能量低，样品被表面升至最高温度所需时间更短。因此出现了随激光能量增加，样品热扩散系数呈现出减小的趋势[5]。

在激光闪光法测量石墨样品热扩散系数的过程中，由测试原理易知，样品所产生的背温升信号完全取决于样品下表面所接收到的激光脉冲能量。当下表面所接收到的能量较低时，虽然样品被表面达到最高温度所需时间更短，但由于温升信号弱，检测器接收到的信号噪音大，会导致测量误差增加；当激光能量较高时，样品被表面传递给检测器的信号会更强，噪音小，但由于总能量高，样品背表面升至最高温度时间增加，同样会导致石墨样品热扩散系数测量精度下降，热扩散系数数值较小。因此，在通过激光闪光法测量石墨样品热扩散系数时，应控制激光能量在一个适宜的范围内。在进行了数据的交叉对比后发现，当激光的电压强度在660~680V、脉冲宽度在0.6ms的情况下，所测石墨样品热扩散系数较为稳定，测试精度更高。同时通过对激光能量计算原理中发现，当激光电压强度低于660V时，激光脉冲峰达到最高值的时间更慢，当电压强度高于660V时激光强度峰可以在瞬间达到峰值，因此激光电压强度的设定不应低于660V。

4 结论

采用激光闪光法测量石墨样品热扩散系数的过程中，激光参数的设定会对测试结果产生影响，影响为当激光电压强度一定的情况下，脉冲宽度越大，样品热扩散系数越小，当激光脉冲宽度一定时，激光电压强度越高，样品热扩散系数越小，但当激光脉冲宽度过小时，激光电压强度对样品热扩散系数结果影响不大。总结为激光能量越高，会导致石墨样品热扩散系数测量结果降低，当激光电压强度设定低于660V时激光强度峰达到最高值较慢，因此在试验过程中激光能量参数设定为660~680V，0.6ms时测试效果最佳。