激光闪光法测量固体材料热扩散率的研究进展

基于瞬态原理的激光闪光法因其具有所用试样小、测试周期短等优点,在测量固体材料的热扩散率方面发挥了重要作用,应用较为广泛。根据近些年来在激光闪光法可测材料种类、关键技术问题以及优化和改进3个方面的研究进展,介绍了其应用情况,并分析总结了其研究重点、难点以及研究价值,最后讨论了激光闪光法存在的挑战和前景,为未来激光闪光法在更多领域的应用提供参考。

各向异性材料的热扩散率的分析

在理论上分析了各向异性材料的热扩散率 ,给出了沿表面任意方向的热扩散率与主热扩散率的关系 ,从而为实验确定材料中任意方向的热扩散率提供了理论依据 .

土壤热扩散率及其温度、热通量计算方法的比较研究

本文利用绿洲系统能量与水分循环过程观测试验的2005年6月11日至15日在甘肃金塔绿洲中部观测的土壤温度、湿度和通量资料,在分析了观测期间土壤温度、湿度和通量特征的基础上,采用振幅法、相位法、谐波法和热传导对流法计算了5～20cm土壤层的土壤热扩散率.在此基础上,以深度为5cm的土壤层为上边界条件,计算了10cm、20cm深度的土壤温度和10cm深度的热通量.结果表明:谐波法能很好地计算土壤温度,10cm和20cm深度的计算值相对观测值的标准差分别为:0.21℃和0.18℃;热传导对流法计算的土壤温度好于振幅法和相位法,但由于忽略了土壤水分通量密度的日变化,该方法用于土壤含水量有明显日变化的浅层土壤时,会出现计算误差.谐波法的计算土壤热通量与实测值最为接近,计算值与实测值的相关系数达到0.868.

C/C复合材料比热容和热扩散率的研究

研究了C/C复合材料的比热容、热扩散率及其影响因素。研究表明,C/C复合材料的比热容随着温度的升高而增大,在1 300 K时比热容达到最大值1.8 kJ/(kg.K),之后随着温度的升高,比热容保持恒定;C/C复合材料的热扩散率随着温度的升高而降低,碳纤维的取向与热传导方向一致时热扩散率最高;石墨化度高,热扩散率高;C/C复合材料的热扩散率随着材料密度的增加而增大。

土壤热传导方程解析解和那曲地区土壤热扩散率研究

文中用Laplace变换推导了土壤热传导方程的解析解和包含热对流项的土壤热传导方程的解析解。用青藏高原 8个土壤湿度、温度廓线观测站 1998年 9月 4日到 10日实测资料基础上 ,根据谐波方法和Laplace变换方法得到了土壤热传导方程的解析解 ,计算了这些站的总体土壤热扩散率 ;用包含热对流项的土壤热传导方程的解析解计算了土壤热扩散率。结果表明 :对于一个深度从 0 .0 4～ 0 .2 0m的浅薄土壤层 ,总体土壤热扩散率的值为 0 .30×10 -6～ 0 .98× 10 -6m2 /s,土壤热扩散率的值为 0 .15× 10 -6～ 0 .72× 10 -6m2 /s。由谐波方法得到的总体土壤热扩散率比由Laplace变换的值稍大 ;

陶瓷热障涂层的热导率和热扩散率测量

提出了应用3ω法进行等离子喷涂热障涂层材料的热导率和热扩散率测量的方法。测试了室温下2种典型的热障涂层材料Y2SiO5和La2Zr2O7的热导率和热扩散率,测试结果与文献中的结果吻合良好。实验中对不同孔隙率的样品的热导率在室温附近的温度区间内进行测试,结果表明,孔隙率的变化对热导率有明显的影响。另外,孔隙率对热扩散率有双向的影响,即存在某一孔隙率值使得涂层样品的热扩散率最大。

据热扩散率最小离散度确定导热系数的新热探针法

本文介绍了一种新的用热探针测导热系数的方法 ,它与传统方法不同 ,不是从模型的算式中直接求出导热系数 ,而是从误差分析出发 ,据导热系数λ误差最小时热扩散率α的离散度也最小的原理导出的方法 .理论和实验证明了该方法可以消除实验不满足理论模型和测试者主观性的误差 ,有与热丝法相当的高精度 .本方法已编成数据处理软件 。

横向激光光热偏转相位法测量金刚石薄片的热扩散率

本文介绍横向激光光热偏转装置的优化设计及其利用相位信息测量 CVD金刚石薄片的热扩散率 。

基于热成像的薄片材料热扩散率快速无损检测

针对传统热扩散率测量方法对热激励、边界和试样尺寸有严格要求等苛刻条件，提出一种适用于薄片材料的热扩散率测量新方法。该方法采用热成像技术采集受激光激励引起的材料表面温度场变化数据，将其通过曲线拟合对导热微分方程中的微分项进行估测，求取微分方程解析解转化为对代数方程求解以确定热扩散率值，因而无需严格控制边界条件、初始条件和热激励。通过仿真分析验证了理论模型的合理性，并对H62黄铜和304不锈钢材料进行了实测，对比文献参考值表明测量偏差均在6．0％以内，测量重复性为4．3％，可满足快速无损的测量要求。

光声方法测量金属材料的热扩散率及热溢出率

利用固体光声技术开展了对金属材料热扩散率及热溢出率的测量研究。首先,根据简化的R-G理论建立一维固体光声池检测材料热性能的理论模型,搭建了相应的光声测试系统;然后检测了紫铜等标准样品的热扩散率及热溢出率,完成了实验方法及系统的校准和验证;最后,对常见几种金属样品的热扩散率及热溢出率进行了检测。研究结果显示,利用固体光声技术可以准确测量金属材料的热扩散率及热溢出率,测量结果与参考值的相对误差均在3%以下。

利用激光光声技术测量薄膜材料的热扩散率

报道了一种利用激光光声背激发技术测量薄膜材料热扩散率的原理与实验方法,通过测量背激发光声信号的相位,得到了背激发光声信号的相位随频率、薄膜厚度变化规律,进而得到了不同薄膜厚度下材料的热扩散率。结果表明当薄膜材料的厚度减少到微米级时,热扩散率表现出对厚度尺寸效应的依赖性,此时需用微观热量输运理论进行分析。

青藏高原深层土壤热扩散率的时空分布特征

青藏高原是地气相互作用相对活跃的地区,深入了解青藏高原土壤热扩散率的变化,才能正确计算地表能量平衡进而准确认识青藏高原对全球和区域气候变化的影响。根据青藏高原1980—2001年39个观测站点实测的0.8 m和3.2 m土壤温度资料,利用热传导对流法结合最小二乘法拟合求得各站点的土壤热扩散率,并分析了土壤热扩散率的时空变化规律。结果表明,1980—2001年期间青藏高原土壤热扩散率在20世纪90年代以前波动较大,20世纪90年代以后波动较小。青藏高原东部地区的深层土壤热扩散率从春季至夏季增大,夏季至秋季减小,秋季至冬季减小;夏季最大值出现在青、川、甘三省的交界处,土壤热扩散率的值为8×10-6 m^2s^(-1),冬季最大值为5.1×10-7 m^2s^(-1);而除东部以外的青藏高原其他地区的土壤热扩散率,春季至夏季减小,夏季至秋季增加,秋季至冬季减小,该区域土壤热扩散率的变化范围为1.2×10-7 m^2s^(-1)~9.2×10-7 m^2s^(-1)。土壤热扩散率的多年平均最大值出现在青海省和甘肃省西南部以及四川西部的青藏高原东部地区,土壤热扩散率的极值为6.4×10-6 m^2s^(-1)。最小值出现在祁连山地区,土壤热扩散率为1.2×10-7 m^2s^(-1),中部地区为相对高值区。

运用光声压电技术测定固体热扩散率

根据简化的热弹理论模型,运用光声压电技术测定团体材料的热扩散率。在优化的实验条件下,实现了对Al_2O_3短纤维增强铝合金基SAE321的复合材料Al_2O_3x/SAE321热扩散率的测量。结果表明,该方法简单快捷,不但能准确地测量均匀固体的热扩散率,而且能有效检测微观不均匀材料的等效热扩散率。

激光闪光法测量材料热扩散率标准装置的研制

介绍了材料热扩散率测量标准装置的研制和实验方法,采用参考样品进行了比对,其测量扩展不确定度优于5%.

PAPE法对莫来石复合材料热扩散率研究

利用光声压电(PAPE)法开展对Mullite/Al-Cu-Mg复合材料等效热扩散率的测量研究。首先介绍基于简化热弹模型理论的PAPE法并建立相应的实验系统,其次通过对参考样品的检测完成对实验系统的校准,最后研究合金材料及莫来石增强金属基复合材料的等效热扩散率。测量结果表明,含Mullite纤维(20%)的Al-Cu-Mg复合材料的等效热扩散率小于其基底合金的等效热扩散率。

光热反射技术测量材料热扩散率的一种新方法

提出一种利用调制光热反射(MPR)技术测量固体材料热扩散率的新方法.通过比较待测样品与已知热扩散率材料幅频特性的差异,得到待测样品的热扩散率.理论分析表明,在利用MPR频响法测量材料热扩散率时,该方法无需测量泵浦和探测光斑半径的大小,可有效地避免泵浦和探测光斑半径的测量误差对热扩散率测量的不利影响.实验结果说明了上述方法的可行性.

基于激光光热法的固体热扩散率数值分析

固体材料的热扩散率对于研究低温非稳态导热过程极为重要,为了研究固体材料在低温下的热扩散率,本文根据热扩散理论模型计算样品材料在不同温度时的热扩散率,在此基础上基于激光光热法对热扩散率与激光频率和相位之间的函数关系进行了数值模拟,数值计算结果与实验数据对比表明两者基本相符,研究表明激光光热法可对固体材料的热扩散率进行有效测量,样品材料在低温下热扩散率的数值模拟表明20～80 K温区样品材料热扩散率随温度变化而显著变化,80～300 K温区材料热扩散率变化较小。

平面热源法导热系数和热扩散率虚实结合实验教学平台

非稳态平面热源法导热系数和热扩散率虚实结合实验教学平台,包括实体装置和虚拟仿真系统两部分。实体装置利用非稳态平面热源法测定导热系数和热扩散率,采用触摸屏系统进行控制、数据采集和人机交互,可使学生认识客观现象,提高动手能力,强化实验技能。虚拟仿真实验系统与实体装置互补,并增加了试样空间温度场动态分布云图,可实现学生在线自主性实验研究。该虚实结合实验教学平台极大地提高了实验教学的质量和效率。

压电光声位相对热扩散率的分析研究

压电光声光谱法研究样品热扩散率的实验中,仪器贡献位相的影响使得实验结果远离理论预测结果。在分析仪器贡献位相产生因素后认为,由于光声池本身引起的位相贡献可以忽略,在同一检测系统内如果保持其他实验条件不变,可按稀土固态配合物配体和中心离子的光声位相计算得到仪器位相贡献,并以铝制样品为参考对热扩散率进行测算。实验结果和真实值的匹配说明在一定频率范围内通过差减仪器贡献位相可以得到比较满意的结果,但在低频率范围,公式的简化没有充分根据,所以带来结果上的偏差。此外,还把压电光声法应用到植物叶片的检测中。并根据实验获得的压电光声仪器贡献位相计算莲花玉兰叶片的热学参数。

平面热源法导热系数及热扩散率虚拟仿真实验开发

介绍了平面热源法导热系数及热扩散率测试虚拟仿真实验系统,该系统包括导热系数测量的虚拟仿真实验、误差分析及测试算法修正等多项功能。虚拟实验中可通过试样截面温度云图动画和测点温度曲线实时显示试样温升,使实验现象更生动直观。该系统将虚拟仿真实验引入实验教学中,与实体的实验台操作相结合,拓展了实验内容,增强了实验趣味性和研究性,能够充分调动学生学习的积极性,增强教学效果,同时也有助于节约实验室硬件建设成本。