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層狀樣品的熱傳遞性能的研究-耐馳
閱讀：965 發(fā)布時(shí)間：2021-1-18前言 ：在較為寬廣的的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域里，人們?cè)絹?lái)越重視對(duì)層狀樣品的熱傳遞性能進(jìn)行表征。一個(gè)典型的例子就是電子元件（或 電子包裝材料）的熱傳遞性能測(cè)試。當(dāng)熱量從正在工作的電子元件上傳遞出去的效率越高時(shí)，電子元件就可以以越快的時(shí)鐘 頻率運(yùn)作而不至于被燒壞。另一個(gè)多層材料的例子是熱障涂層，它已經(jīng)被越來(lái)越多的用于高溫燃?xì)廨啓C(jī)上。這些陶瓷涂層不 但可以保護(hù)燃?xì)廨啓C(jī)中的金屬底層不被氣體腐蝕，同時(shí)由于涂層的低導(dǎo)熱性能，在涂層厚度上形成顯著的溫度梯度，從而允 許燃?xì)廨啓C(jī)在較高的溫度下工作，提高了這一體系的工作效率。
激光閃射法 激光閃射法，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的不斷改進(jìn)，已經(jīng)廣泛的用于固體材料的熱物性測(cè)試。它的基本原理是：，一束激光脈沖照射 到端面平行的片狀樣品底部，熱量從樣品底部向上傳遞，從而導(dǎo)致樣品的上表面溫度升高。通過(guò)檢測(cè)這一溫升隨時(shí)間的變化 得到樣品的熱擴(kuò)散系數(shù)。這種測(cè)試方法是非接觸式，非破壞式的測(cè)試方法，它具有測(cè)試時(shí)間快，樣品易制備，測(cè)試準(zhǔn)確度高 等優(yōu)勢(shì)，而且可以用于多層材料的測(cè)試。二／三層樣品測(cè)試的原理示意圖如圖2、3所示。
理論模型 多層樣品體系分析的解決方案早是由1975年Lee提出來(lái)的。他考慮到了熱損失，將Cowan單層樣品計(jì)算模型進(jìn)行改進(jìn) 用于計(jì)算多層樣品模式：（方程式）
新型分析模型 這里介紹一種新的分析模型，它結(jié)合了一個(gè)非線性回歸方程，可以對(duì)激光法測(cè)試結(jié)果進(jìn)行很好的擬合。圖4展示了兩層 樣品測(cè)試體系的擬合情況（鎳基高溫合金表面的熱障涂層）
很明顯，這種新的分析模型能夠準(zhǔn)確的擬合實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)樣品（人工合成的兩層樣品或是兩種標(biāo)準(zhǔn)樣品形成的兩 層材料）的測(cè)試證明了這種模型的計(jì)算結(jié)果非常可靠。只要樣品未知層的熱阻占整個(gè)樣品熱阻的50％以上，這一模型測(cè)試 誤差將會(huì)在±5％以內(nèi)。當(dāng)然，對(duì)于兩層樣品模式，需要指出的是其中一層樣品的熱物性必須是已知的（比熱、密度和熱擴(kuò) 散系數(shù)）。而且第二層樣品的比熱和密度也必須是已知的。這一要求同樣也適用于三層樣品測(cè)量模式。
結(jié)果與討論： 圖5是鎳基高溫合金的熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果。鎳基高溫合金一般用于燃?xì)廨啓C(jī)熱障涂層的基底材料。
趨勢(shì)有所變化，這是因?yàn)榇藭r(shí)合金發(fā)生了相變。然而在同樣的溫度范圍內(nèi)，由于合金的比熱也發(fā)生了顯著的升高（圖中沒(méi)有 顯示），所以導(dǎo)熱系數(shù)的變化依然呈線性變化趨勢(shì)。
摻雜氧化釔的氧化鋯熱障涂層室溫～1200℃的熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)據(jù)。對(duì)于這種將熱障涂層以等離子形式噴 射到合金基底層的樣品，實(shí)驗(yàn)采用二層模式進(jìn)行測(cè)試。該樣品取材于燃?xì)廨啓C(jī)渦輪刀片的吸力面，在測(cè)試前樣品已經(jīng)在燃?xì)?輪機(jī)上使用了20，000小時(shí)了。實(shí)驗(yàn)表明，室溫的熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)是典型的多孔氧化鋯陶瓷的相應(yīng)數(shù)據(jù)（孔隙率大概 12％）。而且，熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高出現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是陶瓷材料典型的熱物性變化行為。