激光导热系数的原理及案例

激光导热仪简介

激光导热仪，即激光闪射法导热系数仪，是一种基于激光闪射法理论设计的非接触式测量热导率的先进仪器。它通过激光脉冲瞬间加热样品表面，精准捕捉温度变化，从而获取样品的热传导性能。该仪器广泛应用于物理学、工程与技术科学基础学科、材料科学等领域，尤其在高导热系数材料以及高温环境下的测试中表现出色，具有样品尺寸要求小、测量范围宽广等显著优势，可测量除绝热材料以外的绝大部分材料，是中高导热系数材料测量的理想选择。

 

 

闪光法导热系数仪

闪光法导热系数仪采用激光源或闪光氙灯，在设定温度T（恒温条件）下瞬间发射光脉冲，均匀照射样品下表面，使表层吸收光能后温度瞬时升高，以一维热传导方式向冷端（上表面）传播。红外检测器连续测量上表面中心部位的温升过程，得到温度升高对时间的关系曲线。在理想条件下，通过计量半升温时间t50，利用公式α= 0.1388 * d2 / t50（d为样品厚度）计算样品在温度T下的热扩散系数α。实际测量中，需考虑边界热损耗、样品表面与径向的辐射散热等因素，使用数学模型进行修正。已知热扩散系数、比热与密度时，可计算导热系数λ(T) = α(T) * Cp (T) * ρ(T)。

 

 

案例分析

 

1.垂直方向导热系数测量

 

 

以铝基板为例，其在LED灯具中垂直方向的导热系数对灯具散热性能至关重要。传统稳态热源法测试高导热纯铝基板存在误差，而激光法可有效解决。将铝基覆铜板上的铝基材打磨成12.7mm圆，厚度1~4mm，在25℃条件下，采用“Single”模式测试热扩散系数，输入密度和比热容参数，换算得到导热系数。

 

 

2.水平方向导热系数测量

 

对于水平方向热导率受关注的材料，如散热片、散热器、包装材料等，采用特殊In-Plane托盘测试。该托盘底座中心有5mm圆孔接收光源能量，盖子直径26mm，中心有10mm挡片屏蔽垂直热信号，外围2mm圆环供检测器检测水平热信号。以石墨烯薄膜为例，裁剪成25.4mm圆，在25℃条件下，用“In-Plane”模式测试水平方向热扩散系数，结合密度和比热容参数，计算导热系数。

 

 

 

 

总结

激光闪射法导热系数仪凭借其广泛的测量范围，可覆盖<0.1-2000W/m*K的导热系数区间，适用于从低导热聚合物到超高导热金刚石等多种材料。其测量温度范围宽，样品适应性强，不仅能测试常规固体片状材料，还能通过合适夹具、样品容器和热学计算模型，测量液体、粉末、纤维、薄膜、熔融金属、基体涂层、多层复合材料、各向异性材料等特殊样品的热扩散系数并计算导热系数，为材料热传导性能研究和应用提供了强大支持。