从古至今,材料一直是技术进步的推动力。新材料对社会进一步发展的巨大重要性至今没有改变。超过三分之二的技术创新可以直接或间接地追溯到新材料。
在研发中,性能显著改善的新材料增加了行业的竞争力,在推动可持续经济和提升人类生活质量方面发挥了重要作用。
无论是陶瓷纤维、生物塑料还是纳米技术,复杂的且通常为非均匀的材料,它们的进一步发展需要强大而坚实的基础研究。相应地需要在材料物理领域进行各种可能性的研究,包括比热容、熔点、膨胀系数、烧结行为或新材料的导热性能等。
目前,聚合物研究、混合材料、超级半导体和超轻材料是汽车和航空航天工业感兴趣的领域。其中一些材料包括碳化硅、铝化钛,在研究和开发中发挥着重要的作用。然而,在未来,日常用品将越来越多的由新材料组成,使它们更具功能性和安全性。这些产品的处理将更快、更安全、更舒适。
所研究的样品是厚度为25µm的薄轧钢箔。例如,钢箔可以用于机器调整或磁铁系统生产中的距离补偿。
极薄的样品和由此产生的极短的测量时间将使用传统垂直方向测量方法的LFA推向了极限。为了能够准确测量这样薄的样品,可以使用面内附件(in-plane)水平方向测量的方法。
在室温至1200℃范围内对薄钢箔进行测量。从室温到900℃,热扩散系数随着温度的升高而增大。在900 ~ 1000℃之间,热扩散系数迅速增大。在这个温度区间内,样品开始熔化,导致剧烈的热扩散率变化,随后,温度的进一步升高导致热扩散率降低。
下面的LFA测量显示了铜热扩散率的两种测量方法:面间和面内测量模式。
对于面间测量模式,使用1.43 mm厚度的铜样品和“标准”样品仓。面内测量模式,使用40μm厚的铜箔在面内附件中进行测量。
在室温下分别测定10次和15次。两次测量之间的等待时间设置为两分钟,以确保样品完全冷却。
通过面间模式测量的热扩散率平均值为1.16 cm²/s,极小的标准偏差表明LFA测量具有较高的精度。面内测量模式得到的热扩散率平均值约为1.20 cm²/s。
铜的热扩散系数的文献值为1.17 cm²/s。因此,通过面间模式测量的误差仅为0.85%,面内模式测量的误差约为2%,显示了LFA设备的高测量精度。
石墨是碳的一种同素异形体,为灰黑色、不透明固体,化学性质稳定,在许多领域具有广泛的应用,例如作为阴极材料,建筑材料,传感器组件等等。
如果加热,它与氧气反应生成一氧化碳或二氧化碳。然而,如果它在惰性、无氧环境中加热,它可以达到非常高的温度,因此它被用于超高温熔炉中作为炉子材料甚至加热器。
在本实例中,使用激光导热仪LFA 1000在真空条件下分析了石墨样品在室温至1500°C范围内的热扩散率,在同一测量周期内,以石墨标样为基准,采用比较法测量比热容。根据样品的热扩散率、比热容和密度,可以确定其热导率。结果表明,热导率随着温度的升高持续减小,热扩散率在500℃以上呈平稳状态。比热容随着温度的升高而增加。
使用激光导热仪LFA,可以测量具有几层的样品,从而可以表征两层或三层的样品。为此,该软件提供了一个多层测量模型,可用于分析各层样品的属性。
图中蓝色曲线显示了使用LFA测量由基体和涂层(厚度约60µm)组成的多层样品的热扩散率的结果,样品热扩散率随着温度的升高几乎恒定地减小。然后使用多层模型分析整体样品的测量结果。因此,需要知道基体和涂层的厚度,此外,还必须知道或测量基体的热扩散率。通过了解各个层的其他特性,即密度和比热容,也可以确定两层(基体、涂层)的热导率。橙色曲线显示了涂层热扩散率的评估结果,图层的热扩散率明显低于整体样品热扩散率的测量结果。
纤维增强聚合物是一种由纤维和聚合物基体组成的复合材料。纤维增强聚合物因其高强度、高刚度、低密度、抗腐蚀和易加工等特点,广泛应用于各个领域。
增强纤维对纤维聚合物的性能有显著的影响,因此,了解其属性非常重要,尤其是在高端应用领域。
图中显示了使用LFA测量铜纤维样品在室温至200℃范围内的热扩散率和热导率的结果,面内的热导率和热扩散率明显高于纤维取向方向的测量结果。因此,这种面内的测量方法是分析材料性能和验证符合预期应用的很好工具。