Hot disk探头热容对热导率测量的影响

　　热导率是衡量材料热输运性质的关键参数,在材料科学、计算机、能源科学以及空间科学等领域内都有重要的应用,其测量理论和测试技术已经成为科学研究的热点。瞬态平面热源法^[1]作为热导率非稳态测量方法中的一个分支,以其测试材料种类多、可测试的导热系数范围大、测试时间短、测试精度高和试样制备简单等众多优点而得到了越来越广泛的应用。目前,瞬态平面热源法的研究热点主要集中在对各领域、多种类材料的性能测试及其性能评价方面^[2-7]，而对于瞬态平面热源法实际测量过程中探头热容、时间延迟、四线电阻散热等因素对热导率测量精度影响方面的探讨还极为鲜见。为了对瞬态平面热源法进行准确的评估、深入的了解和合理的运用,有必要对以上各影响因素进行深入细致的研究,这是瞬态平面热源法实现热导率高准确度测量的关键。作者基于瞬态平面热源法探头表面平均温升的理想模型,考虑到探头热容对热导率测量的影响,对理想模型的实际加热功率进行了修正,并以此为基础来考察探头热容对热导率测量精度的影响。

　　1　基本原理

　　瞬态平面热源法在测试过程中需要将探头紧密夹持在两片待测试样中间,形成夹层结构。对探头通以恒定的加热功率,由于温度的增加,探头的电阻将发生变化。此时的探头既是加热源又是温度传感器,温度响应由探头电阻值的变化精确测量。待测试样热输运性质的不同决定着探头表面的温度响应,通过记录探头表面平均温升随时间的变化情况就可以得到试样的热导率信息。Hot disk测试系统的组成结构如图1所示^[8]。

　　2　理想模型及修正

　　2.1　理想模型的建立

　　瞬态平面热源法所采用的是一种如图2(a)所示的薄膜式探头,探头由光刻蚀处理的双螺旋结构金属镍丝构成,其两侧被聚酰亚胺薄膜封装,能够同时用于金属及非金属材料的热导率测量。

　　为便于理论分析,将探头结构简化为如图2(b)所示的等间距同心圆环组,假设薄膜探头位于直角坐标系Y-Z面内,探头中心位于坐标原点,并规定:①忽略探头厚度和热容;②探头均匀发热且功率保持不变;③与探头相比,试样均匀且无限大;④试样热导率在测试过程中视为常量。

　　在以上假设条件下,测试过程可以看作是有限尺度的面热源在无限大介质中的放热过程,形成的温度场可以用格林函数法求解。

　　测量过程中探头单位长度的热丝所产生的热量用Q₀表示,由于此热量Q₀所引起Y-Z面内任意一点处经过时间t后的温升如下式^[9]描述