激光閃光法參數(shù)設(shè)定對石墨熱擴(kuò)散系數(shù)測定影響探究

方奇，鄭會保，張霞，丁文皓，王惠馨

（中國兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，濟(jì)南 250000）

1 前言

由Angstrom在1861年提出了非穩(wěn)態(tài)法測量材料的熱擴(kuò)散系數(shù)開始，材料的熱擴(kuò)散系數(shù)表征不斷發(fā)展出新的測試方法與裝置，其中激光閃光法作為應(yīng)用最廣的非穩(wěn)態(tài)測試方法也受到了更多的關(guān)注[1]。其可測試溫度范圍非常寬，可從液氮溫度至2800℃，可測試材料范圍大，已拓展到固體材料、復(fù)合材料、薄膜材料、粉末材料、液態(tài)材料等多種不同狀態(tài)材料。且該方法測試周期短，準(zhǔn)確性較高，激光閃光法正因其多種特點優(yōu)勢受到研究者的青睞。

石墨材料是由石墨質(zhì)碳組成的無機(jī)非金屬材料，經(jīng)高溫純化后可獲得高純石墨材料。高純石墨材料在常溫下或充滿保護(hù)氣氛的高溫條件下有著極高的物理和化學(xué)穩(wěn)定性，低熱膨脹系數(shù)和高導(dǎo)熱率，在高純度的保護(hù)氣氛中可在3000℃條件下保證性能穩(wěn)定。高純石墨的高可靠性使其在化工、電子、冶金、機(jī)械、醫(yī)藥和航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，在現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展過程中扮演者不可或缺的角色[2]。因此石墨熱擴(kuò)散系數(shù)的準(zhǔn)確測定對于石墨的應(yīng)用有著重要的意義。

在激光閃光法測定樣品熱擴(kuò)散系數(shù)過程中，測試參數(shù)作為限制設(shè)備運行控制命令，在整個測試過程中起到重要作用，其中激光脈沖寬度和激光電壓是兩個對激光能量產(chǎn)生影響的主要參數(shù)。本文通過調(diào)整不同參數(shù)對石墨樣品進(jìn)行了熱擴(kuò)散系數(shù)的測試，通過系統(tǒng)分析找出這兩種試驗參數(shù)對試驗結(jié)果的影響規(guī)律。

2 石墨熱擴(kuò)散系數(shù)的測定

2.1 試驗設(shè)備

本研究所使用的設(shè)備為德國耐馳公司生產(chǎn)的NETZSCH LFA427激光導(dǎo)熱儀，采用單一激光光束光源，設(shè)備爐體為高溫爐，水冷循環(huán)降溫，氦氣氣氛保護(hù)。背溫升信號由紅外非接觸式測溫方式采集，樣品支架和中心錐均為石墨材質(zhì)。設(shè)備電壓強度范圍為600~750V，脈沖寬度范圍為0.1~1.5ms。試驗所采用的NETZSCH LFA427激光導(dǎo)熱儀測試原理如下圖1所示[3]。

圖1 激光導(dǎo)熱儀測試原理圖Fig.1 Schematic diagram of laser thermal conductivity testing instrument

試驗過程中，樣品下表面所接受的激光能量主要由激光器接收到的電壓強度和脈沖寬度這兩個參數(shù)影響，這兩個參數(shù)所確定的激光能量可由其在坐標(biāo)中表示，其中激光脈沖寬度為橫坐標(biāo)，電壓強度為縱坐標(biāo)，激光能量強度表現(xiàn)為電壓強度峰在坐標(biāo)中的面積積分，具體表現(xiàn)形式如下圖2所示。

圖2 激光能量計算示意圖Fig.2 Schematic diagram of laser energy calculation

2.2 結(jié)構(gòu)表征和性能測試

利用阿基米德排水法測試試樣的體積密度和開孔率。采用日本Rigaku D/max-c型X射線衍射儀測定碳化纖維的結(jié)構(gòu)參數(shù)，實驗過程中Ni濾波，CuKα為輻射源，X射線波長λ＝0.15418nm，加速電壓為40kV，電流強度為50mA，設(shè)定掃描間隔為0.02°，掃描速度為3°/min，掃描衍射角2θ，范圍為5~50°。將碳化纖維用導(dǎo)電膠黏在樣品臺上，噴金處理后用JSM-6700F型場發(fā)射掃描電鏡觀察纖維表面。

2.2 樣品制備及處理

石墨樣品是以煅燒石油焦和中溫煤瀝青作為原料，通過混捏、壓型、焙燒以及石墨化、鹵素純化處理所獲得的石墨結(jié)構(gòu)，經(jīng)二次純化處理后得到純度較高的石墨樣品。對得到的石墨樣品進(jìn)行了EDS能譜分析，結(jié)果如下圖3、圖4，其成分碳含量為99.9%，為高純石墨樣品。

圖3 石墨材料EDS分層圖像Fig.3 Graphite material EDS layering diagram

圖4 元素能量譜圖Fig.4 Elemental energy spectrum

純化處理后的石墨樣品尺寸較大，因此需根據(jù)測試所需樣品規(guī)格進(jìn)行二次加工，根據(jù)《GB/T22588-2008》中對樣品尺寸要求，樣品的平行度的誤差應(yīng)保證在0.5%以內(nèi)[4]。通過分割打磨，最終獲得直徑為12.7mm厚度為3mm的石墨樣片。由于加工過程中最后一步為銑磨工藝，得到的樣品上下兩表面光滑平整，為了避免樣品在測試過程中出現(xiàn)激光能量被樣品反射的情況出現(xiàn)，對樣品上下兩表面進(jìn)行石墨導(dǎo)電漆噴涂處理，使樣品更好吸收激光能量。

3 樣品測試及結(jié)果分析

為探究設(shè)備激光參數(shù)對實驗結(jié)果的影響，共設(shè)置了四組不同參數(shù)的對比試驗，同時為控制其他變量，實驗環(huán)境溫度為100℃，樣品厚度為3mm。在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光脈沖寬度為0.1ms的情況下，無論怎樣改變電壓強度，激光能量均無法達(dá)到樣品背表面，檢測器無法測出背溫升信號，因此將測試的最低脈沖寬度調(diào)整為0.2ms。試驗激光參數(shù)分別為600V、02.~1.5ms（脈沖寬度間隔為0.2ms），750V、0.2~1.5ms（ 脈 沖 寬 度 間 隔 為 0.2ms），600~750V（電壓強度間隔20V）0.2ms，600~750V（電壓強度間隔20V）1.5ms。所得試驗結(jié)果如下。

圖5和圖6是兩組不同電壓強度的脈沖寬度-熱擴(kuò)散系數(shù)曲線。從圖5和圖6中可以看出，測試過程中不同的激光脈沖寬度設(shè)定對試驗結(jié)果有著明顯影響，隨著激光脈沖的增加，熱擴(kuò)散系數(shù)逐漸減小。同時，為了避免電壓強度對試驗結(jié)果可能產(chǎn)生的影響，設(shè)置了低電壓和高電壓兩組試驗進(jìn)行對比，試驗結(jié)果表明不同電壓并未影響隨脈沖寬度增加熱擴(kuò)散系數(shù)減小這一趨勢。

圖5 電壓強度600V下熱擴(kuò)散系數(shù)隨脈沖寬度變化趨勢圖Fig.5 Variation trend of thermal diffusion coefficient with pulse width under voltage intensity 600V

圖6 電壓強度750V下熱擴(kuò)散系數(shù)隨脈沖寬度變化趨勢圖Fig.6 Variation trend of thermal diffusion coefficient with pulse width under voltage intensity 750V

圖7和圖8是兩組不同脈沖寬度的電壓強度-熱擴(kuò)散系數(shù)曲線。從圖8中可以看出，隨電壓強度的增加，熱擴(kuò)散系數(shù)明顯呈減小的趨勢。同樣，為了驗證脈沖寬度是否會對這一趨勢產(chǎn)生影響，對比了0.2ms脈沖寬度和1.5ms脈沖寬度條件下電壓強度和熱擴(kuò)散系數(shù)關(guān)系，從圖7中可以看出，隨著電壓強度的的增加，熱擴(kuò)散系數(shù)并沒有明顯的減小，產(chǎn)生這一情況的原因是由于激光脈沖寬度過小，激光電壓強度變化不能明顯改變激光能量大小，因此電壓強度的變化對熱擴(kuò)散系數(shù)結(jié)果的影響很小。

圖7 脈沖寬度0.2ms下熱擴(kuò)散系數(shù)隨電壓強度變化趨勢圖Fig.7 Variation trend of thermal diffusion coefficient with voltage intensity under pulse width of 0.2ms

圖8 脈沖寬度1.5ms下熱擴(kuò)散系數(shù)隨電壓強度變化趨勢圖Fig.8 Variation trend of thermal diffusion coefficient with voltage intensity under pulse width of 1.5ms

石墨材料的導(dǎo)熱性能是材料本身的特性，對于同一種材料同一溫度點的條件下，材料的導(dǎo)熱性能參數(shù)應(yīng)較為穩(wěn)定，因此石墨熱擴(kuò)散系數(shù)產(chǎn)生以上變化情況考慮應(yīng)為激光強度的影響。激光閃光法測量材料熱擴(kuò)散系數(shù)計算公式為：

式中，α為熱擴(kuò)散系數(shù)，L為樣品厚度，t1/2為樣品背面溫度升至最高所需時間的一半。由公式可知，在樣品確定的條件下，影響樣品熱擴(kuò)散系數(shù)的另一系數(shù)就是樣品的背溫升時間。影響背溫升時間的因素是熱流密度和總熱量，根據(jù)傅里葉定律有如下公式：

式中，JT表示熱流密度，-表示傳熱方向，κ表示熱導(dǎo)率，dT/dx表示溫度梯度。由公式可知，隨溫度梯度的增大，樣品內(nèi)熱流密度增大，傳熱速率變快，但同時總能量變高因此樣品背表面升至最高溫度時間變長，相反，在激光能量較小的情況下雖然熱流密度較小，但總能量低，樣品被表面升至最高溫度所需時間更短。因此出現(xiàn)了隨激光能量增加，樣品熱擴(kuò)散系數(shù)呈現(xiàn)出減小的趨勢[5]。

在激光閃光法測量石墨樣品熱擴(kuò)散系數(shù)的過程中，由測試原理易知，樣品所產(chǎn)生的背溫升信號完全取決于樣品下表面所接收到的激光脈沖能量。當(dāng)下表面所接收到的能量較低時，雖然樣品被表面達(dá)到最高溫度所需時間更短，但由于溫升信號弱，檢測器接收到的信號噪音大，會導(dǎo)致測量誤差增加；當(dāng)激光能量較高時，樣品被表面?zhèn)鬟f給檢測器的信號會更強，噪音小，但由于總能量高，樣品背表面升至最高溫度時間增加，同樣會導(dǎo)致石墨樣品熱擴(kuò)散系數(shù)測量精度下降，熱擴(kuò)散系數(shù)數(shù)值較小。因此，在通過激光閃光法測量石墨樣品熱擴(kuò)散系數(shù)時，應(yīng)控制激光能量在一個適宜的范圍內(nèi)。在進(jìn)行了數(shù)據(jù)的交叉對比后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光的電壓強度在660~680V、脈沖寬度在0.6ms的情況下，所測石墨樣品熱擴(kuò)散系數(shù)較為穩(wěn)定，測試精度更高。同時通過對激光能量計算原理中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光電壓強度低于660V時，激光脈沖峰達(dá)到最高值的時間更慢，當(dāng)電壓強度高于660V時激光強度峰可以在瞬間達(dá)到峰值，因此激光電壓強度的設(shè)定不應(yīng)低于660V。

4 結(jié)論

采用激光閃光法測量石墨樣品熱擴(kuò)散系數(shù)的過程中，激光參數(shù)的設(shè)定會對測試結(jié)果產(chǎn)生影響，影響為當(dāng)激光電壓強度一定的情況下，脈沖寬度越大，樣品熱擴(kuò)散系數(shù)越小，當(dāng)激光脈沖寬度一定時，激光電壓強度越高，樣品熱擴(kuò)散系數(shù)越小，但當(dāng)激光脈沖寬度過小時，激光電壓強度對樣品熱擴(kuò)散系數(shù)結(jié)果影響不大?？偨Y(jié)為激光能量越高，會導(dǎo)致石墨樣品熱擴(kuò)散系數(shù)測量結(jié)果降低，當(dāng)激光電壓強度設(shè)定低于660V時激光強度峰達(dá)到最高值較慢，因此在試驗過程中激光能量參數(shù)設(shè)定為660~680V，0.6ms時測試效果最佳。