瞬态平面热源技术

瞬态平面热源法测定材料热物性的原理是基于无限大介质中阶跃加热的圆盘形热源产生的瞬态温度响应。利用热阻性材料做成一个平面的探头，同时作为热源和温度传感器。镍的热阻系数--温度和电阻的关系呈线性关系，即通过了解电阻的变化可以知道热量的损失，从而反映样品的导热性能。Hotdisk探头采用导电金属镍经刻蚀处理后形成的连续双螺旋结构的薄片，外层为双层的聚酰亚胺(Kapton)保护层，厚度只有0.025mm，它令探头具有一定的机械强度并保持与样品之间的电绝缘性。在测试过程中，探头被放置于中间进行测试。电流通过镍时，产生一定的温度上升，产生的热量同时向探头两侧的样品进行扩散，热扩散的速度依赖于材料的热传导特性。通过记录温度与探头的响应时间，由数学模型可以直接得到导热系数和热扩散率，两者的比值得到体积比热。

初始测试时，在Kapton涂层上会产生很小的温度下降，经过很短的，由于输出功率是恒定的，温度的下降将保持恒定。探头的电阻变化可用下式表示。

R(t)=Ro[1+α△Ti+α△T(τ)] (1)

其中

Ro:探头在瞬间记录前的电阻;

α:电阻温度系数(TCR);

△Ti:薄膜保护层中的温差(由于保护层非常薄，在很短时间内可以把△Ti看作是定值);

△T(τ):与试样处于理想完全接触时探头平均温升。

而△T(τ)可以表示为:

△T(τ)=QD(τ)/(λroπ^3/2) (2)

其中:

Q:恒定输出功率;

ro:探头半径;

λ:被测样品导热系数，即我们要求的值;

D(τ):无因此时间函数。

假设R*=Ro(1+α△Ti), K=αRoQ/(λroπ^3/2)，将(2)式代入(1)式得:

R(t)=R* + K D(τ) (3)

将测得的电阻值R(t)对D(τ) 作图得到一条直线，截距是C。通过反复变换特征时间θ拟合，使R(t)对D(τ)的 得直线相关性达到最大，此时导热系数便可以由直线的斜率K计算得出。

在研究材料时能够同时测量热导率、热扩散率以及单位体积的热容。这种方法采用一个瞬间热平面探头，在大多数应用中被称之为Hot Disk热常数分析仪。瞬态平面热源技术在国内正在被越来越多地研究人员应用于各种不同类型材料的热物性的测试。