使用激光闪光法进行热分析
发布时间：2023-02-16 00:00:00.000Z
由于速度快、精度高，激光闪光法已成为热分析中评估材料热特性（如热导率和扩散率）的一种流行而有效的工具。因此，研究人员可以更好地了解材料的传热特性和各种材料的热反应。
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背景和历史
热分析在现代工业中变得越来越重要。例如，它在开发现代微型电子的散热材料、提高能源效率的热电和绝缘材料、涡轮叶片的保护涂层以及确保核电站的安全运行方面发挥着至关重要的作用。
由Parker等人在1961年提出的激光闪光法，已经发展成为热分析中最受欢迎的技术之一。该方法通过分析样品在暴露于短暂的辐射能量后的热反应来确定其热特性。
激光闪光灯法是如何用于热分析的？
热分析中的激光闪光法包括将样品的正面暴露在短暂的激光能量下，使其内部温度上升并产生热梯度。
然后测量样品后侧的热流，直到样品达到热稳定性。在热稳定时，绘制时间-温度图以确定热扩散率。
Parker等人得出了一个公式，使用半升时间（t*）计算热扩散率（α），半升时间是温度达到其最大值的一半所需的时间。
α=0.1388 Δx2/t*
Δx = 材料厚度。热导率（k）由以下公式计算。
k=α.ρ.cp
激光闪光法的优势
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激光闪光法与热流计和防护热板法不同，因为它是基于非稳定的温度分布，而不是稳定状态。
激光闪光法是评估高温下的陶瓷和金属的首选方法。它可以确定从0.1 W/(mK)到超过1000 W/(mK)的热导率，温度范围从-150 °C到超过2500 °C。
它提供快速、无损的评估，并且需要小尺寸的样品（直径6到18毫米），范围从低到高的导电性。虽然它需要精确的加工，但它的测试时间相对较短（几毫秒），这使它成为测试高导电性材料的理想选择。
与激光闪光法相关的缺点
能量分布不均匀的激光束或吸收热能不均匀的样品可能会提供不准确的样品扩散性测量。这种影响在薄膜中会被明显放大。
样品和其周围环境之间的热传递是不可避免的，通常是通过辐射和对流发生的。然而，它导致了测量温度的波动，这增加了数学建模的复杂性。
有限脉冲时间效应发生在激光脉冲发射的特定时间内，而不是瞬间发射。这种效应需要很长的时间来观察样品中的温度变化。
LFA 1000激光闪光灯仪器
LFA 1000是一种流行的激光闪光设备，用于计算热导率、热扩散率和比热。
它的快速转盘可以在一次实验中检查多达六个样品。它的三个可互换的炉子使测量的温度范围在-125°C到1600°C。
它的设计将硬件和电子元件分开，为检查放射性材料提供了一个隔离区。
研究与开发
由电磁干扰或检测器引起的测量噪音会增加热评估值的不确定性。Artem Lunev和Robert Heymer在《科学仪器评论》上发表了一项研究，他们提出通过非线性优化技术和有限差分解决方案的结合来减少激光闪光分析的测量不确定性。尽管有测量噪音，这种方法仍能更精确地确定热特性。
在发表在《国际热物理学杂志》上的一项研究中，Simon Breuer & Frank R. Schilling提议通过考虑探测器的延迟响应来提高热扩散率测量的准确性。根据研究人员的说法，即使使用有限脉冲时间效应校正算法，由于电子元件和检测器造成的额外时间延迟，测量结果仍可能包含重大的系统误差。
如果不考虑这个额外的延迟，可能会导致与有限脉冲时间效应一样大的误差。为了减少这些误差，特别是在处理薄膜和具有高热扩散性的材料时，考虑到实际激光脉冲形状并包括检测器延迟的影响的数据评估程序是一个可行的解决方案。
结语
激光闪光技术可以有效地评估各向同性固体材料的热扩散率和热导率。然而，当应用于不符合理想条件的材料时，其结果可能会有明显的偏差，在解释数据时必须谨慎。
因此，建议进行彻底的测试，并仔细考虑该方法的局限性，以使使用激光闪光灯进行热分析的好处最大化。
参考链接：
Breuer, S., & Schilling, F. R. (2019). Improving thermal diffusivity measurements by including detector inherent delayed response in laser flash method. International Journal of Thermophysics, 40, 1-17. https://doi.org/10.1007/s10765-019-2562-9
Linseis. (2022). LFA 1000 High performance Laser Flash measurements. [Online]. Linseis. Available at: https://www.linseis.com/en/products/thermal-conductivity-instruments/lfa-1000/ (Accessed on 29 January 2023)
Lunev, A., & Heymer, R. (2020). Decreasing the uncertainty of classical laser flash analysis using numerical algorithms robust to noise and systematic errors. Review of Scientific Instruments, 91(6), 064902. https://doi.org/10.1063/1.5132786
Mbaga, C. (2021). The Benefits and Limitations of Laser Flash Analysis for Determining Thermal Conductivity. [Online]. C-Therm. Available at: https://ctherm.com/resources/newsroom/blog/the-benefits-and-limitations-of-laser-flash-analysis-for-determining-thermal-conductivity/ (Accessed on 29 January 2023)
Parker, W. J., Jenkins, R. J., Butler, C. P., & Abbott, G. L. (1961). Flash method of determining thermal diffusivity, heat capacity, and thermal conductivity. Journal of applied physics, 32(9), 1679-1684. https://doi.org/10.1063/1.1728417
Souza, R. R., Faustino, V., Gonçalves, I. M., Moita, A. S., Bañobre-López, M., & Lima, R. (2022). A review of the advances and challenges in measuring the thermal conductivity of nanofluids. Nanomaterials, 12(15), 2526. https://doi.org/10.3390/nano12152526
Taylor, R. E., Gembarovic, J., & Maglic, K. D. (2002). Thermal diffusivity by the laser flash technique. Characterization of Materials. https://doi.org/10.1002/0471266965.com102
Tec-Science. (2020). Laser-Flash method for determining thermal conductivity (LFA). [Online]. Tec-Science. Available at: https://www.tec-science.com/thermodynamics/heat/laser-flash-method-for-determining-thermal-conductivity-lfa/ (Accessed on 29 January 2023)
来自：Owais Ali
