《激光闪光法测定耐火材料导热系数的原理与方法.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《激光闪光法测定耐火材料导热系数的原理与方法.pdf（5页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、理化检验-物理分册 PT CA(PART:A PHYS.TEST.)2008 年 第 44 卷 2试验技术与方法激光闪光法测定耐火材料导热系数的原理与方法葛 山,尹玉成(武汉科技大学 耐火材料与高温陶瓷湖北省重点实验室,武汉 430081)摘 要:依据激光闪光法测定导热系数的理论基础和物理模型,推导了计算导热系数所需的热扩散系数和比热容两个参数的计算公式,从而阐述了该方法的原理。以美国安特公司产 FLASH-LINE-5000 型热扩散系数测定仪为例,介绍了激光闪光法测定导热系数设备的主要组成,并简要说明了该设备的操作步骤及导热系数的计算方法。关键词:激光闪光法;导热系数;热扩散系数;比热容中
2、图分类号:TN249 文献标识码:A 文章编号:1001-4012(2008)02-0075-04PRINCIPLE AND METHOD OF REFRACTORY THERMAL CONDUCTIVITYM EASUREMENT BY LASER FLASH METHODGE Shan,YIN Yu-cheng(The Hubei Province Key Laboratory of Ceramic and Refractories,Wuhan University of Science andTechnology,Wuhan 430081,China)Abstract:According
3、 to the theory and physical model of thermal conductivity measuring instrument by laserflash method,thermal diffusivity and heat specific capacity calculation formula were deduced,and in the way theprinciple of the method was interpreted in the text.T ake FLASHLINE-5000 thermal diffusivity as exampl
4、e,themain ingredients of the instrument were introduced and also the operation procedure and calculating method wereillustrated.Keywords:Laser flash method;Thermal conductivity;Thermal diffusivity;Specific capacity 导热系数、热扩散系数和比热容是材料的三大重要热物理性质,是评价和衡量材料能否适用于具体热过程的技术依据 1,也是进行有关工程设计和计算的重要参数依据 2。导热系数对使用于
5、高温条件下的耐火材料来说则更具有重要的意义,特别是对于要求保温性能的耐火材料和高导热性能的含碳及碳化硅质耐火材料,导热系数是该类产品的一项关键技术指标,在相关的产品标准中都予以了规定 3,4。尽管人们一直不断地探索材料热物理性能的理论模型和理论计算方程,但是由于热物理性能对材料组成、晶体结构、显微结构以及材料的制备工收稿日期:2007-08-06作者简介:葛 山(1951-),男,高级工程师。艺等都很敏感,所以至今为止,除了在一定温度范围内可以用德拜模型对材料的摩尔热容进行计算外,其他的热物理参数仍需借助试验方法测定 1。自 Parker 等 5于 1961年提出并研制成功用激光脉冲技术测量材
6、料的热物理性能以来,由于这种测量技术具有所用试样小、测试周期短和温度范围宽等一系列优点而得到广泛的研究和应用 6,并且经过众多学者的不断发展和完善 7-10,目前已经成为了一种成熟的材料热物性测试方法。但目前我国测量耐火材料导热系数仍以平板法、十字热线法和平行热线法三种方法为主 11,激光闪光法还尚未得到广泛的推广和应用。为此,笔者对激光闪光法测定耐火材料导热系数的原理和方法作一介绍。#75#理化检验-物理分册葛 山等:激光闪光法测定耐火材料导热系数的原理与方法1 激光闪光法测量导热系数的原理1.1 激光闪光法测量导热系数的理论基础激光闪光法测量材料导热系数的原理是根据导热系数 K与热扩散系数
7、 A、比热容 cp和体积密度 Q三者之间的关系 13,如式(1)给出,首先测出试样的体积密度 Q,然后分别或者同时测量出材料的热扩散系数 A和比热容cp,则根据式(1)即可计算出材料的导热系数。K=AQcp(1)激光闪光法的物理模型是,如果能量为 Q 的激光脉冲被一圆片状试样(厚度为 L)的正面吸收,同时试样及激光脉冲应满足以下条件:热量在试样内是一维热流;试样表面没有热损失;激光脉冲能量被试样正面均匀吸收;激光脉冲宽度足够小;激光脉冲能量的吸收仅在正面很小的厚度内发生;试样是均匀不透光的;试验条件下,温度保持恒定。当测试过程满足以上条件时,那么在试样内热量的传输可认为是一维热流。因此,由激光
8、脉冲瞬间辐射而引起背面(x=L)的温度变化及分布可用简化的数学方法进行描述和计算。1.2 热扩散系数的计算公式基于以上激光闪光法的测量物理模型,试样背面的温度分布可用下式表达 12,13:T(x,t)=1L0QL0T(x,0)dx+2LEn=1exp(-n2P2A tL2)#cosnPxLQL0T(x,0)cosnPxLdx(2)式中 T)试样背面的温度函数;x)距离试样正面的距离;t)时间;A)试样的热扩散系数;n)与三角函数有关的参数(取整数自然数)。由式(2)可知,当 t=0,0 x g,(g 为距离正面的距离且很小时)有:T(x,0)=Q/Qcpg(3)当 g x L 时,T(x,0)
9、=0(4)根据此初始条件,式(2)可写为:T(L,t)=QQcpL 1+2En=1(-1)n#exp(-n2P2LA t)(5)定义两个参数:V(L,t)=T(L,t)/TMax(6)X=P2A t/L2(7)式中 TMax为试样背面温升的最大值,并有:TMax=Q/LQcp(8)那么联立式(5),(6),(7)和(8)得到:V(L,t)=1+2En=1(-1)nexp(-n2X)(9)当 V(L,t)=0.5 时,由式(9)得 X=1.37,代入式(10)中即可求出热扩散系数。A=0.138 8 L2/t0.5(10)式中 t0.5为试样背面温升达到最大温升一半所需要的时间。1.3 比热容的
10、测定原理与计算公式在多样品激光热扩散系数仪的第一个装样位置放置一个已知比热容的标准样品时,则可在测量被测试样热扩散系数的同时测出其比热容。用激光闪光法测量材料比热的基本原理为:当已知比热容的标准样和待测样品,分布吸收到相同能量的激光脉冲辐射时,则根据能量平衡方程式有 12:cpx=cpsms$Tsmx$Tx(11)式中$Ts,$Tx)分别表示标准样品和待测样品受到辐射后的最大温升;ms,mx)分别表示标准样品和待测样品的质量。上述即为激光闪光法测量导热系数的物理模型和原理,在测试时,只需精确测量并记录试样背面的温升随时间的变化曲线(图 1),测出背面温升达到最大温升一半时所要的时间和最大温升,
11、代入式(9)和式(11)即可求出试样的热扩散系数和比热容。最后根据式(1)即可求出导热系数。2 激光闪光法测定耐火材料导热系数2.1 激光闪光法的设备以美国 ANTER 公司产的 FLASH LINE5000型激光热扩散系数仪为例介绍激光闪光法设备的组成,如图 2 所示,激光闪光热扩散系数测定仪主要由激光发射源、试样加热装置、数据采集记录装置和信号探测器组成 13。为了减小有限脉冲时间效应的误差,激光脉冲时间 S应尽可能小。在实际测试中,一般把 S控制#76#理化检验-物理分册葛 山等:激光闪光法测定耐火材料导热系数的原理与方法图 1 试样背面温升-时间曲线Fig.1 Rear face te
12、mperature rise-timecurve of sample图 2 激光闪光法设备示意图Fig.2 Diagrammatic sketch of laser flash instrument在 1 Ls。为保证被辐照试样的背面有一定的温升(一般为 5 e 以下),所需的激光能量一般为 535 J。测量试样背面的瞬间温升曲线的温度响应探测器是一个非接触式辐射温度计,不同的温度采用不同响应波段的探测元件,如锑化铟光敏元件、硫化铅光敏元件和硅光电池等。试样夹持器为刚玉质,其上有均匀分布的六个直径为 12.8 mm 的圆孔,试样放入圆孔支架。加热装置为电加热方式,其最高试验温度可达 1 600
13、 e;而且加热炉膛具有良好的气密性,可以根据试样的材质和测试的要求对试验环境进行控制。数据采集系统要求有足够高的采集频率,以保证采集到足够数量的数据。用该法测量时,热扩散系数的测试温度范围为0.001 10 cm2/s,比热容 0.1 2 J/g#K,测量的精度为,热扩散系数:?3%;比热容:?5%。2.2 激光闪光法测定导热系数的步骤用该方法测定耐火材料导热系数的过程主要包括试样制备、试样预处理、装样与加热及测定与数据处理几个步骤。2.2.1 试样制备及尺寸控制由于试样的几何尺寸和预处理情况对测定的结果有很重要的影响,因此这两个步骤也就特别关键。试样制备过程中要严格控制试样的直径和厚度以及两
14、个端面的平行度。测试的典型试样尺寸一般为(12.5 12.7)mm (2 3)mm,最适宜的厚度应满足t0.5值大于脉冲宽度的 50 倍。由热扩散系数的计算式(10)可知,试样的热扩散系数与试样厚度的平方成正比,因此要精确测量并控制试样的厚度,厚度测量误差应控制在 0.2%以内,试样厚度的均一性应 1.0%。另外,由于耐火材料多为含颗粒原料的材料,加之生产工艺的限制,使得耐火材料具有明显的非均质性和方向性,包括颗粒、气孔大小和分布的不均匀性。因此,为了真实地反映材料的导热系数,则需要取多个样品进行测量,用多次测量结果的平均值来作为参考结果。2.2.2 试样预处理为了减少耐火材料对激光脉冲的反射
15、,并增加试样表面对激光脉冲能量的吸收,测试前应在被测试样的两面涂上一层薄薄的黑色的具有强吸收性的涂层。涂层应足够致密来阻止激光射线和可观察波长段热辐射的穿透,并在高温阶段能够抵抗激光脉冲加热而不融化和蒸发,涂层不应与试样发生反应。涂层厚度应该在满足上述条件下具有最小的厚度值。适用于许多陶瓷材料的涂层制备方法有碳蒸发、碳溅射或胶体石墨喷涂 1。如果被测试样本身在高温下易与碳反应或者试样具有一定的透光性,则可先对试样两面用离子溅射的方法溅射铂、金或镍等金属涂层,然后在金属薄膜上再镀一层碳质涂层,以增加对激光脉冲能量的吸收。2.2.3 试样安装与测定制备的试样经过以上预处理后,即可放入到仪器中,并通
16、过计算机控制系统进行加热到所要的温度,根据需要可以对加热环境的气氛进行控制。温度达到要求后,选择自动或者手动的方式开启激光发生器,仪器自动同步启动温度探测器和数据记录系统,记录试样背面的温升随时间的变化曲线。至此,完成了整个测定过程,并测得了试样的热扩散系数和比热容。2.2.4 结果计算仪器可自动计算给出试样背面温升达到最大温升一半所需的时间,然后输入事先测定的试样体积密度数据,根据式(10)便可计算出试样的导热系数。表 1中是用 FLASHLINE-5000 型激光导热仪测量#77#理化检验-物理分册葛 山等:激光闪光法测定耐火材料导热系数的原理与方法的几种材料的热扩散系数、比热及导热系数的
17、数据。从表 1中可以看出,石墨炭砖有很大的导热系数,从石墨炭砖材质和导热系数的数值考虑,已经超出了传统方法的测量范围,而采用激光闪光法则能快速、准确地测出其导热系数。由于使用激光闪光法测量时所需的试样较小,耐火材料又多为非均质材料,因此,要取多个样品求出平均值才可得到具有统计意义的结果 14。对于均质材料,例如合金钢,由于材料本身非常的均质,所以测量的结果与手册上查找的结果非常相近。激光导热仪是以测量热扩散系数(导温系数)为主的仪器,而热扩散系数的测量是一种绝对的测量方法 14,因此它不需要进行校准。该方法自发明以后,迅速得到了世界的认可,早在 1973 年举行第 13届国际导热系数学术会议上
18、,就有人估计在欧美各国大约 75%的导温系数数据,均是用该方法测定的 12。目前影响激光法导热系数测定准确性的关键问题是材料比热测量的准确性,采用比较法测量比热容的误差在?5%,所以说,如果在测量热扩散系数的时候能够满足测量的物理模型要求的边界条件,体积密度的准确测量又是完全做得到的,再有更准确的材料比热数据,激光导热仪测量的导热系数的准确性就会大大增加。表 1 FLASHLINE-5000测出的不同产品的热物性参数Tab.1 Thermal physical parameters of different products detected by FLASHLINE-5000产品种类试验温度
19、/e热扩散系数/cm2#s-1比热容/J#kg-1#K-1体积密度/g#cm-3导热系数/W#m-1#K-1表面处理情况石墨炭砖6000.381 61 622.91.74105.31喷胶体石墨微孔炭砖6000.058 51 451.41.6816.478喷胶体石墨Si3N4砖1 0000.057 11 037.82.7317.408镀金膜、喷胶体石墨莫来砖1 0000.010 11 618.53.216.189 9镀金膜、喷胶体石墨合金钢7000.043 91 041.27.82642.618喷胶体石墨3 结语尽管激光闪光法具有前述的一系列优点,但是实际操作应用中仍然不能完全满足物理模型要求的
20、边界条件,这些边界条件的偏差会影响测量结果的准确度。一般来说,影响边界条件的主要因素是热损失效应、激光脉冲的非均匀加热效应和有限脉冲时间效应 12;另外,被测材料的非均质性也会在一定程度上影响测量结果的准确性。实际中可以通过分析试样背面温升曲线特征、实测热扩散系数 A与脉冲能量强度的关系来判断何种效应起主要作用。理论计算表明,三种效应都在很大程度上受到试样尺寸,特别是厚度的影响,另外还与试样的特性、安放和预处理情况密切相关,因此严格精确控制试样的尺寸是获得准确测量结果的关键。参考文献:1 吴清仁,刘振群.无机功能材料热物理 M.第 1 版.广州:华南理工大学出版社,2003:64-66.2 孙
21、晓刚,戴景民,丛大成,等.材料热物性脉冲加热测量技术 J.仪器仪表学报,2002,23(3):341-342.3 全国耐火材料标准委员会,中国标准出版社第五编辑室.耐火材料标准汇编上册M.第 3 版.北京:中国标准出版社,2007:505-562.4 冶金工业信息标准研究院标准化研究所,中国标准出版社第二编辑室.炭素制品及其试验方法标准汇编M.第2 版.北京:中国标准出版社,2002:105-117.5 Parker W J,Jenkins R J,Butler C P.Flash method ofdeterminingthermal diffusivity,heatcapacityandt
22、hermal conductivity J.Journal of Applied Physics,1961,32(9):1679-1684.6 Righini F,Cezairliyan A.Pulse method of thermal dif-fusivity measurements J.High Temperatures-HighPressures,1973,5(4):481-501.7 奚同庚,顾龙文,顾宗义,等.激光闪光法导热系数测定仪的研究J.新型无机材料,1974,3(3):37.8 奚同庚,周新宇,李宗杰,等.计算机运控德激光导热仪的研究J.工程热物理学报,1980,1(2)
23、:147-155.9 何冠虎,叶庆和,董淑清,等.同时测量导温系数和比热容德激光加热降温法 J.计量学报,1983,4(3):168.10 何冠虎,叶庆和,周本濂,等.用激光脉冲加热-降温法测比热容 J.工程热物理学报,1981,1(2):283.11 张亚静,孙 萍.含碳(或碳化硅)耐火材料热导率的测试 J.耐火材料,2007,41(2):156-158.(下转第 96页)#78#理化检验-物理分册江俊灵等:起重机轴承失效分析图 9 内圈低倍组织形貌Fig.9 Structure of the ring inside inlow magnification图 10 内圈心部组织形貌Fig.1
24、0 Microstructure of the center of ring inside源均起始于退刀槽根部,裂源区被机械损伤,无法判断断口真实断裂形貌,见图 11,裂纹从退刀槽根部向外扩展,裂纹扩展区微观形貌为准解理,滚珠的断裂断口形貌为准解理,见图 12。图 11 内圈裂纹源区机械损伤形貌Fig.11 Appearance of mechanical damage in thecrack source of the ring inside2 分析与讨论由上述检测可知,轴承的化学成分、非金属夹杂物和碳化物液析检测的结果均满足标准要求。经对轴承内外圈及滚珠进行硬度检测,其中轴承整体硬度均低于
25、 60 HRC,并且内圈的内外区域硬度低且分布不均匀。对轴承内外圈及滚珠进行显微组织观察,外圈及滚珠组织为隐针状回火马氏体和针状回火马氏体,符合热处理工艺要求 2;内圈从横截面上图 12 滚珠断口微观形貌Fig.12 Micro appearance of the fracture of the ball观察,热处理效果不佳,心部没有完全淬透,靠外区域组织为隐针状回火马氏体和针状回火马氏体,心部组织为粒状珠光体+隐针状回火马氏体,造成内圈内外唇硬度高于心部,这与硬度测试的结果相吻合。轴承内外圈碳化物网状 4 级和滚珠碳化物带状3.5 级均超标(标准要求 3 级),而组织中存在这种网状碳化物,降
26、低轴承的强度和韧性,也降低了轴承的耐磨性能。而从滚珠断口的宏、微观形貌来看,由于滚珠内部存在带状碳化物,降低了滚珠的承载能力而发生断裂,破碎的滚珠碎块随轴承的运转对轴承内圈的内唇区域产生机械磨损,同时碎块对内圈施加挤压应力,致使在内圈的内、外唇出现多裂源的断裂,随着断裂碎块的增多,最终导致轴承无法转动而失效。3 结论由于滚珠和轴承圈均存在组织缺陷,造成它们的硬度指标均低于标准要求。在工作应力的作用下,先后发生滚珠的断裂和轴承圈内唇发生多裂源断裂,产生的断裂碎块导致轴承无法运转而失效。参考文献:1 崔 崑.钢铁材料及有色金属材料M.北京:机械工业出版社,1980:103.2 任颂赞.钢铁金相图谱
27、 M.上海:上海科技技术文献出版社,2003:181.(上接第 78页)12 奚同庚.无机材料热物性学 M.上海:上海科学出社,1981:173-180.13 ASTM E1461-2001 Standard Test Method forThermal Diffusivity by the Flash MethodS.14 BS EN 821-2-1997 Advanced Technical Ceramics-Monolithic Ceramics-T hermo-Physical Properties-De-termination of Thermal Diffusivity by the Laser Flash(or Heat Pulse)MethodS.#96#