用於測量熱導率的方法
2023-10-04 11:10:14 2
用於測量熱導率的方法
【專利摘要】一種用於測量材料的熱導率的方法，包括以下步驟：對材料的前側面施加熱脈衝。使用紅外檢測器檢測材料的前側面的所得到的取決於時間的二維溫度場。識別溫度場中的等溫線。基於等溫線的形狀以及基於在兩個時間點處在材料的前側面的一點處檢測到的第一溫度和第二溫度來計算在材料的第一方向和第二方向上材料的第一熱導率和第二熱導率。
【專利說明】用於測量熱導率的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於測量材料的熱導率的方法。
【背景技術】
[0002]本部分中的陳述僅提供與本發明相關的背景信息並且可能不構成現有技術。
[0003]熱導率是材料傳導熱的能力。熱導率的測量在許多不同的工業(比如汽車工業、化學工業、電子工業和構造)中材料的分析中扮演主要角色。在蓄熱器中，例如，可以使用具有高熱導率的材料。然而，熱屏蔽則要求具有低的熱導率。用於測量熱導率的現有技術的陳述由 H.Czichos、T.Saito 和 L.Smith (Eds.)在 「Handbook of Materials MeasurementMethods」，2006，Springer, pp.399-408中描述。存在可用於測量熱導率的三種基本方法。
[0004]第一種方法被稱為穩態方法。熱被不斷地施加到樣品以達到熱平衡，即，直到在樣品的每一點處的溫度不再取決於時間。因此，穩態技術是非常耗時的。而且，當執行該方法時很難隨著時間流逝而維持相同的邊界條件。某些技術另外地需要基準材料。進一步，由於在熱源和樣品之間的界面處的接觸熱阻，接觸加熱可能產生另外的問題。
[0005]根據第二瞬態方法，分析隨著時間流逝在樣品的一個點處的溫度變化。該方法具有比穩態技術快很多的優點。雷射閃爍方法是廣泛使用的瞬態方法，其基於通過在樣品的前側上的短雷射脈衝加熱樣品且分析在樣品後側處相應的溫度升高。然而，該方法是破壞性的，因此需要製備特定樣品。而且，該方法基於允許僅在樣品的一個方向上確定熱導率的一維模型。各項異性介質，即，在兩個方向上熱導率的確定需要準備兩個單獨的樣品和兩個單獨的測量。
[0006]第三方法涉及使用位於樣品表面上或向該表面輻射調節的熱的振蕩熱源。基於由熱源提供的調節的熱信號和由溫度傳感器測量的響應信號之間的相位移以及基於這兩個信號的振幅，可以計算樣品的擴散率。然而，該方法是非常複雜的。
[0007]已知方法中沒有一個是完全沒有破壞性的。所有這些方法需要準備特定形狀的樣品，比如小圓柱形或薄箔。此外，它們中大部分需要長的測量時間和/或可以僅在實驗室環境中而不是在工業環境中執行。通常，這些方法分別對於特定類別的材料和/或溫度範圍是最佳的和受限制的。
[0008]本發明的一個目的是克服與測量熱導率的已知方法有關的缺點。
【發明內容】
[0009]因此，本發明提供一種測量材料的熱導率的方法。所述方法包括以下步驟:對所述材料的前側面施加熱脈衝。使用紅外檢測器檢測所述材料的前側面的所得到的取決於時間的二維溫度場。識別檢測到的溫度場中的等溫線。基於所述等溫線的形狀以及基於在兩個時間點處在所述材料的前側面的一點處檢測到的第一溫度和第二溫度來計算在所述材料的第一方向和第二方向上所述材料的第一熱導率和第二熱導率。
[0010]根據本發明的方法允許大尺寸的材料的非接觸和非破壞性的測量。不需要準備待分析的材料並因此不需要永久地改變待分析的材料。此外，根據本發明的方法允許同時確定材料的熱導率張量的兩個分量。特別是，第一熱導率和第二熱導率對應於平行於介質的前側面的熱導率張量的兩個分量或軸。材料可以是各向異性材料，特別是正交各向異性材料或各向同性材料。
[0011]材料的熱導率可以在0.1ff/m.K和500W/m.K之間，優選地在lW/m.K和200W/m.K之間，更優選地在3W/m.K和50W/m.K之間。
[0012]測量時間可以被減少到幾秒或更少。此外，由材料吸收的熱量不是必須已知的。而且，熱導率可以以高精度和低努力低成本地確定。
[0013]根據本發明的一方面，特別是為了評估等溫線的形狀，數學函數，特別是橢圓，被擬合到等溫線。圓可以被認為是橢圓的特例。可以使用最小二乘法的方法來執行曲線擬合。
[0014]根據本發明的另一方面，基於數學函數的至少一個幾何參數，特別是基於所述橢圓的長軸和短軸的長度或圓的半徑來計算第一熱導率和第二熱導率。
[0015]根據本發明的又一方面，基於橢圓的長軸或長半軸的長度與橢圓的短軸或短半軸的長度的比來計算第一熱導率與第二熱導率的比。
[0016]根據本發明的另一方面，材料在第一方向上的熱導率基於下面提到的等式(2)計
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[0017]根據本發明的另一方面，材料在第二方向上的熱導率基於第一溫度與第二溫度的比來計算。
[0018]根據本發明的另一方面，材料在第二方向上的熱導率基於以下提到的等式(3)來計算。
[0019]根據本發明的另一方面，第一熱導率和第二熱導率針對材料的前側面的多個點中的每一個點被計算。因此，可以提高測量的可靠性。相應的多個第一溫度和第二溫度可以在相同的兩個時間點被檢測。
[0020]根據本發明的另一方面，在不同位置對材料的前側面施加多個熱脈衝，其中第一熱導率和第二熱導率針對每一個熱脈衝被計算。本發明的方法隨後可以用於非均質的材料，特別是用於帶紋理材料。變形超過給定限制的測量產生的橢圓隨後可以被忽視。
[0021]根據本發明的另一方面，紅外檢測器的視場的中心軸線與被施加到材料的前側面的熱脈衝的傳播方向對準。另外或可替代地，紅外檢測器的視場的中心軸線和/或被施加到材料的前側面的熱脈衝的傳播方向至少基本上垂直於材料的前側面布置。可以避免由傾斜的觀察角度和/或傾斜的入射角度引起的檢測到的溫度場和/或投射到材料前側面上的脈衝斑點的幾何畸變。因此，本發明所涉及到的計算複雜性可被最小化。
[0022]根據本發明的另一方面，紅外檢測器和用於對材料的前側面施加熱脈衝的熱脈衝發生器，特別是雷射器，被布置或定位在材料的同一側上。因此，雷射閃爍方法所需要的以允許檢測樣品後側上的溫度升高的薄樣品的製備是不必要的。
[0023]本發明還提供一種用於測量材料的熱導率的設備，特別是用於執行根據本發明的用於測量材料的熱導率的方法的設備。所述設備包括熱脈衝發生器，特別是雷射器，其用於對材料的前側面施加熱脈衝，特別是光脈衝。設備還包括紅外檢測器，其被設計成檢測材料的前側面的所得到的取決於時間的二維溫度場。此外，設備包括評估單元，其被設計成識別檢測到的溫度場中的等溫線並基於等溫線的形狀和基於在兩個時間點處在材料的前側面的一點處檢測到的或取樣到的第一溫度和第二溫度來計算在材料的第一方向和第二方向上材料的第一熱導率和第二熱導率。
[0024]優選地，熱脈衝發生器和/或聯接到熱脈衝發生器並將熱脈衝引導到材料的前側面的頭是在第一位置和第二位置之間可移動的，其中，在所述第一位置，熱脈衝發生器和/或頭位於紅外檢測器的視場的中心軸線上，且其中在所述第二位置，熱脈衝發生器和/或頭遠離紅外檢測器的視場的中心軸線定位，特別是定位到紅外檢測器的視場之外。
[0025]包括熱脈衝發生器和/或頭以及紅外檢測器的組件可以在垂直於被施加到材料的前側面的熱脈衝的傳播方向的平面中是可移動的，即，平行於材料的前側面是可移動的。這允許針對雷射脈衝撞擊材料前側面的不同位置來評估第一和第二熱導率，如上面提到的。特別是，可以計算對於第一和第二熱導率中的每一個的平均值。
[0026]此外，本發明包括與根據本發明的方法的方面類似的根據本發明的設備的優選實施方式。
[0027]進一步的應用領域將從本文提供的描述而變得明顯。應理解，描述和具體示例旨在僅用於圖示的目的且不是要限制本發明的範圍。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]本文描述的附圖僅為了圖示目的而被包括且不是要以任何方式限制本發明的範圍。
[0029]圖1是二維溫 度場中的等溫線的圖示；
[0030]圖2是用於測量材料的熱導率的設備的圖；以及
[0031]圖3是用於測量材料的熱導率的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0032]以下描述本質上僅是示範性的且不是要限制本發明、應用或用途。應理解，在整個附圖中，對應的參考數字表示相似或對應的部件和特徵。
[0033]為了測量各向同性或各向異性的介質或材料的熱導率，使用熱源，特別是雷射器對材料的平坦前側面施加熱脈衝，在材料上產生暫時優選的點狀光點或熱點。前側面是材料的被施加熱脈衝的那個側面，特別是面向熱源的那個側面。通常，材料的每一個側面都有資格作為前側面。本發明的發明人發現，假定半無限介質或材料具有在點狀位置處暫時加熱的隔熱表面並假定材料(特別是正交各向異性材料)具有與材料表面平行的熱導率張量的兩個軸，所得到的材料前側面的二維溫度場可以通過以下等式來描述:
[0034]
【權利要求】
1.一種用於測量材料的熱導率的方法，所述方法包括以下步驟: 對所述材料的前側面施加熱脈衝， 使用紅外檢測器檢測所述材料的前側面的所得到的取決於時間的二維溫度場， 識別檢測到的溫度場中的等溫線， 基於所述等溫線的形狀以及基於在兩個時間點處在所述材料的前側面的一點處檢測到的第一溫度和第二溫度來計算在所述材料的第一方向和第二方向上所述材料的第一熱導率和第二熱導率。
2.根據權利要求1所述的方法，其中數學函數，特別是橢圓，被擬合到所述等溫線。
3.根據權利要求2所述的方法，其中使用最小二乘法方法以執行曲線擬合。
4.根據權利要求2或3所述的方法，其中所述第一熱導率和所述第二熱導率基於所述數學函數的至少一個幾何參數，特別是基於所述橢圓的長軸和短軸的長度，來計算。
5.根據權利要求4所述的方法，其中所述第一熱導率與所述第二熱導率的比基於所述橢圓的長軸的長度與所述橢圓的短軸的長度的比來計算。
6.根據權利要求2至5中任一項所述的方法，其中所述材料在第一方向上的熱導率基於以下等式計算:
7.根據權利要求1至6中任一項所述的方法，其中所述材料在第二方向上的熱導率基於所述第一溫度與所述第二溫度的比來計算。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的方法，其中所述材料在第二方向上的熱導率基於以下等式來計算:
9.根據權利要求1至8中任一項所述的方法，其中所述第一熱導率和所述第二熱導率以對於所述材料的所述前側面的多個點中的每一個點的方式來計算。
10.根據權利要求9所述的方法，其中相應的多個第一溫度和第二溫度在相同的兩個時間點處被檢測。
11.根據權利要求1至10中任一項所述的方法，其中在不同位置處對所述材料的前側面施加多個熱脈衝，其中第一熱導率和第二熱導率對於每一個熱脈衝如前所述地被計算。
12.根據權利要求1至11中任一項所述的方法，其中所述紅外檢測器的視場的中心軸線與被施加到所述材料的前側面的所述熱脈衝的傳播方向對準。
13.根據權利要求1至12中任一項所述的方法，其中所述紅外檢測器的視場的中心軸線和/或被施加到所述材料的前側面的所述熱脈衝的傳播方向被布置為垂直於所述材料的前側面。
14.根據權利要求1至13中任一項所述的方法，其中所述紅外檢測器和用於對所述材料的前側面施加熱脈衝的熱脈衝發生器，特別是雷射器，被布置在所述材料的同一側上。
15.一種用於測量材料的熱導率的設備，所述設備包括: 熱脈衝發生器(11)，特別是雷射器，用於對所述材料的前側面施加熱脈衝， 紅外檢測器(21)，被設計成檢測所述材料的前側面的所得到的取決於時間的二維溫度場， 評估單元(19)，被設計成識別檢測到的溫度場中的等溫線並基於所述等溫線的形狀以及基於在兩個時間點處在所述材料的前側面的一點處檢測到的第一溫度和第二溫度來計算在所述材料的第一方向和第二方向上所述材料的第一熱導率和第二熱導率。
16.根據權利要求15所述的設備，其中所述熱脈衝發生器(11)和/或聯接到所述熱脈衝發生器(11)並將所述熱脈衝引導到所述材料的前側面的頭(15)是在第一位置和第二位置之間可移動的， 其中，在所述第一位置，所述熱脈衝發生器(11)和/或所述頭(15)位於所述紅外檢測器(21)的視場的中心軸線上，且其中在所述第二位置，所述熱脈衝發生器(11)和/或所述頭(15)遠離所述紅外檢測器(21)的視場的中心軸線定位。
17.根據權利要求15或16所述的設備，其中包括所述熱脈衝發生器(11)和/或所述頭(15)以及所述紅外檢測器(21)的組件在垂直於被施加到所述材料的前側面的熱脈衝的傳播方向的平面中是可移動的。
【文檔編號】G01N25/18GK104040327SQ201280063879
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2012年12月19日 優先權日:2011年12月23日
【發明者】沃伊切赫·亞當齊扎克, 理夏德·比亞韋茨基, 塔德茲·克魯切克 申請人:西格裡碳素歐洲公司