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层状样品的热传递性能的研究-耐驰

发布时间:2021-01-18   点击次数:432次

前言 :在较为宽广的的工业应用领域里,人们越来越重视对层状样品的热传递性能进行表征。一个典型的例子就是电子元件(或 电子包装材料)的热传递性能测试。当热量从正在工作的电子元件上传递出去的效率越高时,电子元件就可以以越快的时钟 频率运作而不至于被烧坏。另一个多层材料的例子是热障涂层,它已经被越来越多的用于高温燃气轮机上。这些陶瓷涂层不 但可以保护燃气轮机中的金属底层不被气体腐蚀,同时由于涂层的低导热性能,在涂层厚度上形成显著的温度梯度,从而允 许燃气轮机在较高的温度下工作,提高了这一体系的工作效率。

 

激光闪射法 激光闪射法,经过数十年的不断改进,已经广泛的用于固体材料的热物性测试。它的基本原理是:,一束激光脉冲照射 到端面平行的片状样品底部,热量从样品底部向上传递,从而导致样品的上表面温度升高。通过检测这一温升随时间的变化 得到样品的热扩散系数。这种测试方法是非接触式,非破坏式的测试方法,它具有测试时间快,样品易制备,测试准确度高 等优势,而且可以用于多层材料的测试。二/三层样品测试的原理示意图如图2、3所示。

 

 理论模型 多层样品体系分析的解决方案早是由1975年Lee提出来的。他考虑到了热损失,将Cowan单层样品计算模型进行改进 用于计算多层样品模式:(方程式)

 

新型分析模型 这里介绍一种新的分析模型,它结合了一个非线性回归方程,可以对激光法测试结果进行很好的拟合。图4展示了两层 样品测试体系的拟合情况(镍基高温合金表面的热障涂层)

很明显,这种新的分析模型能够准确的拟合实验测量结果。标准样品(人工合成的两层样品或是两种标准样品形成的两 层材料)的测试证明了这种模型的计算结果非常可靠。只要样品未知层的热阻占整个样品热阻的50%以上,这一模型测试 误差将会在±5%以内。当然,对于两层样品模式,需要指出的是其中一层样品的热物性必须是已知的(比热、密度和热扩 散系数)。而且第二层样品的比热和密度也必须是已知的。这一要求同样也适用于三层样品测量模式。

 

结果与讨论: 图5是镍基高温合金的热扩散系数和导热系数测试结果。镍基高温合金一般用于燃气轮机热障涂层的基底材料。

趋势有所变化,这是因为此时合金发生了相变。然而在同样的温度范围内,由于合金的比热也发生了显著的升高(图中没有 显示),所以导热系数的变化依然呈线性变化趋势。 

 

掺杂氧化钇的氧化锆热障涂层室温~1200℃的热扩散系数和导热系数数据。对于这种将热障涂层以等离子形式喷 射到合金基底层的样品,实验采用二层模式进行测试。该样品取材于燃气轮机涡轮刀片的吸力面,在测试前样品已经在燃气 轮机上使用了20,000小时了。实验表明,室温的热扩散系数和导热系数是典型的多孔氧化锆陶瓷的相应数据(孔隙率大概 12%)。而且,热扩散系数和导热系数随着温度的升高出现下降趋势,这是陶瓷材料典型的热物性变化行为。

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