激光闪射仪测试原理

激光闪射法是一种用于测量材料导热性能的常用方法，属于导热测试“瞬态法”的一种。测量基本原理如图1所示。

图1激光闪射法测量原理示意图

图1中在一定的设定温度T（恒温条件）下，由激光源（或闪光氙灯）在瞬间发射一束光脉冲，均匀照射在样品下表面，使其表层吸收光能后温度瞬时升高，并作为热端将能量以一维热传导方式向冷端（上表面）传播。使用红外检测器连续测量上表面中心部位的相应温升过程，得到类似于图2的温度（检测器信号）升高对时间的关系曲线。

图2温度升高与时间的关系曲线

若光脉冲宽度接近于无限小或相对于样品半升温时间近似可忽略，热量在样品内部的传导过程为理想的由下表面至上表面的一维传热、不存在横向热流，且在样品吸收照射光能量后温度均匀上升、没有任何热损耗（表现在样品上表面温度升高至图中的顶点后始终保持恒定的水平线而无下降）的理想情况下，则通过公式（1）即可得到样品在温度T下的热扩散系数α。

α=0.1388×d2/t50 公式（1） 其中，d：样品的厚度

t50：半升温时间，又称t1/2，如图2所示为在接收光脉冲照射后样品上表面温度（检测器信号）升高到最大值的一半所需的时间

对于实际测量过程中任何对理想条件的偏离（如由边界热传导、气氛对流、热辐射等因素引起的热损耗；由材料透明／半透明引起的内部辐射热传导；t50很短导致光脉冲宽度不可忽略等），需使用适当的数学模型进行计算修正。

由于导热系数（热导率）与热扩散系数存在着如下的换算关系： λ(T)=α(T)×Cp(T)×ρ(T) 公式（2）

根据公式（2），在已知温度T下的热扩散系数、比热与密度的情况下便可计算得到温度T下的导热系数λ。其中，这里所用的密度ρ是表观密度（又称体积密度，即质量/表观体积），一般在常温下测试，其随温度的变化可使用材料的热膨胀系数表进行修正，在测量温度不太高、密度变化不太大的情况下也可近似认为不变。比热Cp可使用文献值，也可使用差示扫描量热法（DSC）测量，在样品形状规则且表面光滑的情况下也可在LFA仪器中与热扩散系数同时测量得到（比较法）。方法是使用一个与样品几何尺寸相近、热物性相近且比热值已知的参比样品，与待测样品同时进行表面石墨喷覆（确保与样品具有相同的表面光能吸收比与红外发射率），并在等同的照射条件下进行测量，利用温升信号高度与热容成反比的关系，计算求取样品的比热值。

图3所示为某一典型的LFA测试图谱。样品为多晶石墨，测试温度范围-120~450℃。红色曲线显示的是热扩散系数随温度上升而下降的过程，绿色曲线为比热随温度上升而上升，蓝色曲线则为导热系数随温度的变化过程。

图3多晶石墨LFA测试图谱

激光闪射导热测试方法所要求的样品尺寸小，测量速度快，精度高，能够覆盖<0.1~2000 W/(m·K)（从较低导热系数的聚合物，到超高导热的金刚石）的宽广的导热系数测量范围，测量温度范围宽，样品适应面广，不仅能测量普通固体样品的导热性能，通过使用合适的夹具或样品容器并选用合适的热学计算模型，还可测量诸如液体、粉末、纤维、薄膜、熔融金属、膏状材料、基质上的涂层、多层复合材料、各向异性材料等特殊样品的热扩散系数并进而计算导热系数。因此在现代导热测试领域，这一测量方法正扮演着越来越重要的角色。

激光闪射法广泛应用于材料领域，包括石墨、金属、陶瓷、聚合物、复合材料等，测量温度范围宽（-125~2800℃），导热系数测量范围可达0.1~2000 W/(m·K)。

该方法是非接触式与非破坏式的测量技术，具有样品制备简易，所需的样品体积小，测量速度快（3~5 min可以得到测试结果），测量精度高等众多优点。

在科研与工业领域，深入了解材料的热物理性能，从而优化最终产品的导热性能，已经变得越来越重要。在过去的几十年里，激光闪射法已经发展成为最为广泛使用的导热测试技术，用于不同种类固体、粉末与液体样品的热扩散系数与导热系数。

激光闪射技术遵循国际标准，例如ASTM E 1461，DIN EN 821以及DIN 30905。

耐驰（NETZSCH）激光导热仪代表了当代激光闪射测量技术的最新进展。该方法使用一束短促的激光脉冲加热样品正面，通过红外检测器测量样品背面温度随时间的变化，得到样品的热扩散系数（α）。NETZSCH LFA导热仪还能够

同时测量样品的比热（Cp），在已知样品密度（ρ）的情况下，可以计算样品的导热系数（λ）：

λ(T) = α (T) × Cp (T) × ρ (T)

NETZSCH LFA激光导热仪测试原理如图4所示。此外，耐驰的激光导热仪拥有强大的测量及分析软件，可对数据结果进行拟合。除常规的热扩散系数测试外，仪器还可进行：比热测试、多层样品导热测量、接触热阻测试、各向异性测量等。

图4 LFA测量原理示意图