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激光闪射法测试材料导热系数原理

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

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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/t公式（1）

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其中，d：样品的厚度

t：半升温时间，又称t，如图2所示为在接收光脉冲照射后样品上表面

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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；t

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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。

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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

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