Hot-Disk-热常数分析仪介绍

1李刚KAnalsABHotDisk-测量热传输性能的利器K-AnalysAB凯戈纳斯仪器商贸（上海）有限公司K-AnalysAB近场光学扫描显微镜导热系数仪药物分析仪器绝热量热仪、微反应量热仪2006年10月设立了瑞典凯戈纳斯有限公司代表处，2010年设立凯戈纳斯仪器商贸（上海）有限公司。2HotDiskAB介绍成立:1995„成立:1995„总部:Uppsala,Sweden„分支机构:Scandinavia,UK,France,Germany,US,Canada,Japan,Taiwan„用户:Morethan500worldwide,morethan70inChina瞬变平面热源法（TPS）技术3HotDisk技术的演化热线法1960s热带法1970sHotDisk1980sTPS技术TPS技术原理HotDisk的测量原理基于由SilasGustafsson博士发明的瞬变平面热源法（TransientPlaneSourceMethodTPS）瞬变平面热源法（TransientPlaneSourceMethod,TPS）数秒钟完成导热系数(ThermalConductivity)、热扩散率(ThermalDiffusivity)和热容(HeatCapacity)的测试4瞬变平面热源法的基础-一个全新的数学模型一个特别的电子数据采集系统-一个独特的探头ƒ双螺旋探头ƒ半径:0.492-29.40mmƒ同时做为加热和传感器-一个特别的电子数据采集系统自加热的温度探头自加热探头•自加热的温度探头•双螺旋结构•四点测量„Kapton聚酰亚胺200°C„Mica云母1000°C5热传导图示z假设包围探头的样品无限大z假设测试过程中热流在样品内部传递z热传导依赖探头温度变化及瞬态时间数学模型6TempD斜率得到导热系数计算结果Ti对函数的拟合得到热扩散系数导热系数TimeThermalConductivityW/mKThermalDiffusivitymm2/s=CpHeatCapacityMJ/m3K电路示意图R0=RS+RLΔR=αR0ΔT7瞬态记录输入功率W脉冲电流时间S温度T电阻&电压….同时测试时间S电阻&电压原始数据8计算结果输出功率、测试时间、探头尺寸样品样品探头热扩散系数K、测试时间t和探头半径r平方的比值遵从热扩散系数测试头半径平方值从K*tr2Є（0.3–1.0）通过调整上述参数来适应数学模型，以获得理想结果9TPS技术的优点„直接测量热传导，节约时间„测试范围宽，精度高„不会受到接触热阻的影响（区别静态法）„只需平整的样品表面，无须特别的样品制备，„可用于固体、粉末、涂层、薄膜、液体、各向异性材料等的测定性材料等的测定„标准方法：ISO22007-2.2„界面友好，易操作TPS技术的延伸10薄膜法－适用于薄膜低导材料ƒ材料：纸、织物、布、高聚物薄膜等绝缘材料ƒ厚度：10μm~500μmƒ厚度：10μm~500μmƒ导热系数：0.01W/mK~2W/mK背景材料(良导体)样品探头薄膜法原理－利用接触热阻ΔT在起始阶段后恒定Temp.vstimewithoutsampleTemp.vstimewithsampleTempTime11平板法－适用于高导平板材料ƒ材料：陶瓷片、金属片、硅片等导热材料ƒ导热系数：10W/mK背景材料（热绝缘）样品探头ƒ厚度：0.2mm~7mm各向异性法轴向ConductivityDiffusivity径向ConductvityDiffusivityDiffusivity样品的比热Cp必须是已知的！还好我们有Cp模块12比热模块单面法当样品只有片或无法切割时当样品只有一片或无法切割时……可用于原位测试!借助已知导热性能的背景材料13液体测试为避免形成对流—探头垂直放置—低输出功率—短测试时间可在油浴/水浴内进行不同温度的测试用于测试流体，水和甲醇等低粘度液体亦可测得液体样品架14液体样品架高温测试附件左边旧款马弗炉至750度右边新款管式炉至1000度15HotDisk的技术指标„导热系数:0.005～500W/mK导热系数„温度范围:30K～1000oC„测试时间:1～1280S„最小样品尺寸:2mm厚，10mm直径；最大不限„材料类型:金属、合金、陶瓷、硅片、聚合物、粘结剂、纸、织物、印刷电路板、推进剂纸、织物、印刷电路板、推进剂……„样品类型:固体、粉末、薄膜、液体、各向异性材料等„精度:±3%样品类型固体、粉末、薄膜、涂层、液体、各向异性材料等16应用示例：航空航天应用示例：蜂窝材料材料总体特性ThermalConductivty,W/mK13.4Diffusivity,mm2/s14.3CpMJ/m3K0.93材料各向异性特性AxialThermalconductivityW/mK27.5AxialDiffusivitymm2/s44.8RadialThermalconductivityW/mK7.39RadialDiffusivitymm2/s12.317应用示例：电子材料应用示例：液体样品1819同其他技术的比较„保护热板法„激光闪光法保护热板法冷板热板温差热电偶优点-ASTM标准-模型简单-便于设计20保护热板法冷板热板温差热电偶缺点-温差大-保护板热损耗-接触热阻大-测试时间长激光闪光法激光器接收器样品激光红外辐射激光闪光法优点-高温高导-非接触-速度快-有标准21激光闪光法激光器接收器样品激光红外辐射激光闪光法缺点-样品需要各向同性-样品表面严格平行-吸收激光（材料不能透明）-各方向有热损耗技术指标HotDisk热板法激光法备注导热系数范围0005~5000005~0501~2000HotDisk技术VS传统导热系数测试方法：（w/mk）0.0055000.0050.50.12000是否直接测量导热系数是是否激光法直接得到的数据是热扩散系数温度范围-240~1000oC-20~200oC-100~2000oC导热系数测试准确度±3%±5%±10%样品尺寸最小直径2mm最小厚度直径600mm直径12.7mm热板法和激光法的样品尺寸是特样品尺寸最小厚度10um最大不限直径600mm厚度100mm直径12.7mm厚度1~3mm的样品尺寸是特定的样品类型固体，液体，粉末，胶体等固体固体样品制备很少，单面法可原位测量，不必制样需要需要测试时间最短1秒几小时几秒22HotDisk－用户的最佳选择„美国国家标准和技术学院(NIST)„英国国家物理实验室(NPL)„英国国家物理实验室(NPL)„美国橡树岭国家实验室(OakRidge)„法国国家物理实验室„日本国家高等工业技术科学院„美国Intel公司德国BBASF公司„德国Bayer，BASF公司„美国DowCorning公司国内主要客户„北京航天航空大学„上海交通大学西安交通大学„华南理工大学„清华大学山东大学„西安交通大学„中国科技大学„南京工业大学„中科院大连化物所„株洲硬质合金厂„中科院广州能源所„四川大学„山东大学„航空材料与工艺研究所（703所）„陕西华兴航空机轮刹车系统有限责任公司„华为技术有限公司„福建华清电子材料科技有限公司„美国DowCorning（上海）公司„中国地质力学研究所„同济大学„西北工业大学„中山大学„山东建筑大学„上海市技术物理应用所„上海卫星工程研究所„上海高桥石化聚胺酯有限公司„郑州烟草研究院„北京建设工程质量第六检测所„东莞优邦材料科技有限公司„烟台德邦有限公司„航天二院等……23HotDisk„世界领先的热分析技术合理的价格优越的性能„合理的价格、优越的性能„强大的科研支持„一流的售前、售中和售后服务数据比较－HotDisk精度一篇源自TorbjornLog*教授的文献列举比较5种不同标准材料的HotDisk测试结果„*TLogSEGustafssonTransientPlaneSource(TPS)TechniqueforMeasuring„T.Log,S.E.Gustafsson,TransientPlaneSource(TPS)TechniqueforMeasuringThermalTransportPropertiesofBuildingMaterials,FireandMaterials19,43-49(1995)24小数点后第四位数据比较－HotDisk精度数据源自不通技术的测试结果25数据比较－HotDisk精度使用的HotDisk探头半径，测试功率和时间00280.02826PMMA取值0.19小探头，短测试时间相同结果!27这种材料具有很轻的吸湿性，一般不作为标准材料1.4514.2028166导热性能结果–完全吻合29热扩散系数–几乎吻合NISTNo.1453聚苯乙烯标准材料的测试系列NISTNo.1453聚苯乙烯材料的信息：厚度：13.4mm密度：38kg/m3～46kg/m3，温度为295K导热系数：0.0328-0.0338W/mK30厚度：13.4mm边长：100mm密度：43.8kg/m3～40.4kg/m34组根据两片样品不同面与探头接触的组合数据不同面的组合结果(W/mK)Std%1-20.033940.122-10.033790.042-20.034510.081-10.033460.23测试结果分布图0.0330.03350.0340.03450.035ThermalConductivity[W/mK]„1-2„2-1„2-2„1-1最大与最小值之间的误差小于3%!!!012345Combination31HotDisk在全量程都有优于3％的精度！谢谢！