Общий подход

На настоящий момент основным методом определения теплофизических свойств материалов возможно с использованием импульсного метода. Основными достоинствами импульсного метода являются: возможность исследования широкого круга материалов, в том числе алмазов, керамики, полимеров и металлов, относительно малое время измерений (несколько секунд), малые размеры исследуемых образцов, широкий интервал измерения температур.

Суть метода состоит в следующем: исследуемый образец облучается коротким импульсом лучистой энергии, которая поглощается в тонком слое фронтальной поверхности плоского образца, вызывая изменение температуры тыльной поверхности образца, которое регистрируется температурным датчиком с очень малым временем термической реакции (Рис. 2.7).

Рис. 2.7. Схема метода лазерной вспышки

По зависимости температуры обратной поверхности образца от времени определяют температуропроводность (коэффициент термической диффузии). При помощи полученного коэффициент термической диффузии можно получить теплоемкость и теплопроводность образца:

Рис. 2.8. Термограмма тыльной поверхности образца А - идеальная кривая;

В, C - реальные кривые

61

где а - температуропроводность (m²∕c); 1 - толщина образца (м); m - масса образца (кг); р - плотность образца (кг/м³); τ₁∕₂- время достижения половины амплитуды перегрева образца (с); Cp - теплоемкость образца, Дж/(кгтрад); Q - энергия, поглощенная образцом (Дж); T_max, ⁰C - амплитуда перегрева образца; λ - теплопроводность, Вт/(мград).

После измерения температуропроводности и теплоемкости можно рассчитать теплопроводность образца.

Для интерпретации результатов применяется метод, разработанный Паркером.

Оригинальный метод Паркера применяется если имеют место следующие условия: образец адиабатный, гомогенный и изотропный, нагрев однородный и импульсный, длительность импульса стремится к 0 (импульс должен описываться распределением Дирака).

Для применения метода Паркера к реальным условиям используются различные техники и программные модели, учитывающие неидеальность условий эксперимента:

• потери тепла и излучения поверхности образца,

• конечность лазерного импульса,

• неоднородность импульсного нагрева,

• негомогенность и неизотропность материала (например, в случае композитов).

При облучении идеального образца при идеальных условиях температура обратной поверхности образца после облучения возрастает до определенного значения и затем остается постоянной (рис.2.8, кривая А)

На практике идеальные условия труднодостижимы, поэтому на реальных кривых (рис.2.8, кривые В и С) после постижения максимума значения начинают уменьшаться.

Для уменьшения потерь тепла и излучения поверхности исследуемых образцов обрабатывают специальными материалами (например графитом).

Отличие от 0 длительности импульса компенсируют при помощи специального преобразования (finite correction).

Остальные неидеальности учитываются при помощи специальных моделей, заложенных в программном обеспечении.

2.2.2.