热学性能检测技术分类及详细介绍

　　热学性能检测技术是一系列用于测量材料或系统在热作用下物理性质变化的科学方法。这些技术对于材料研发、质量控制、产品设计(尤其是电子、航空航天、能源和建筑领域)以及失效分析至关重要。主要检测的性能包括热导率、热扩散率、比热容、热膨胀系数、熔点/玻璃化转变温度等。

　　下面是主要的热学性能检测技术分类及详细介绍：

　　一、 基于热流和温度测量的技术

　　这类技术通过直接或间接测量热流和温度来获取热物性参数。

　　激光闪射法 (Laser Flash Analysis, LFA)

　　测量参数：热扩散率 (α)，结合密度(ρ)和比热容(Cp)可计算热导率 (λ = α·ρ·Cp)。

　　原理：用短脉冲激光照射样品前表面，红外探测器测量后表面温度随时间上升的温升曲线。热扩散率与温升达到半峰值的时间成正比。

　　优点：快速(几分钟)、精度高、可进行宽温度范围(-120°C 至 2000°C以上)测量、对高导热材料(如金属、SiC)尤其有效。

　　缺点：需要制备特定尺寸的圆片样品(破坏性);对样品表面发射率和吸收率有要求(常需涂覆石墨)。

　　应用：固体材料(金属、陶瓷、复合材料、半导体)的热导率测量。

　　防护热板法 (Guarded Hot Plate, GHP)

　　测量参数：热导率。

　　原理：稳态法。在样品上下放置加热板和冷板，建立稳定温度梯度。中心的“主加热板”产生热量，周围的“防护加热板”确保热量只沿一维通过样品。测量通过样品的热流量和温差，计算热导率。

　　优点：原理直接，理论上精度高，是低导热材料的基准方法。

　　缺点：达到稳态耗时很长(数小时至数天);对绝热和温度测量要求极高;主要用于低导热材料(如绝热泡沫、建筑材料)。

　　应用：建筑材料、保温材料的热导率检测。

　　热流计法 (Heat Flow Meter, HFM)

　　测量参数：热导率。

　　原理：稳态法。与防护热板类似，但使用热流传感器(热电堆)直接测量通过样品的热流量，而非计算。

　　优点：比防护热板法更快、操作更简单。

　　缺点：精度通常低于防护热板法;同样主要用于低导热材料。

　　应用：批量检测保温材料、聚合物等。

　　瞬态平面源法 (Transient Plane Source, TPS) / Hot Disk法

　　测量参数：热导率、热扩散率、比热容。

　　原理：非稳态法。将一个既作加热器又作温度传感器的平面探头(镍箔)夹在两个样品之间。通电加热，记录探头电阻(温度)随时间的变化，通过理论模型拟合得到热物性。

　　优点：测试速度快，可测各向异性材料，探头可定制(如双面、单面)。

　　缺点：探头与样品的接触热阻影响精度;需要制备平板样品。

　　应用：固体、粉末、液体、各向异性材料的快速热物性测量。

　　二、 基于热-机械变形的技术

　　这类技术测量材料在温度变化时的尺寸变化。

　　热膨胀仪 (Dilatometer)

　　测量参数：线膨胀系数 (CTE)、相变温度、烧结行为。

　　原理：将样品置于炉中，一端固定，另一端连接高精度位移传感器(LVDT、电容或激光)。以程序控温加热/冷却，实时记录样品长度变化。

　　优点：直接测量尺寸变化，结果可靠，是测量CTE的标准方法。

　　缺点：需要制备棒状或管状样品;测试时间较长。

　　应用：金属、陶瓷、玻璃、复合材料的热膨胀行为分析，焊接/封装中的热匹配评估。

　　三、 基于热-电学关系的技术

　　这类技术利用材料的电学特性随温度变化的规律来反推温度。

　　电学法测温 (Electrical Method)

　　测量参数：结温、热阻 (Rθ)。

　　原理：利用半导体器件(如二极管、BJT)的正向电压Vf或基射电压Vbe随温度线性变化的特性(K因子)。先校准ΔV/ΔT，再在工作状态下测量Vf，即可推算出无法直接接触的“结温”。

　　优点：精度高，可直接测量器件内部关键点温度，是电子器件热阻测试的工业标准(JESD51)。

　　缺点：需要器件具有合适的电学测温参数;需预先校准。

　　应用：IC、功率器件、LED的热性能评估。

　　四、 基于热-能量关系的技术

　　这类技术测量材料吸收或释放热量的能力。

　　差示扫描量热法 (Differential Scanning Calorimetry, DSC)

　　测量参数：比热容 (Cp)、熔点、玻璃化转变温度 (Tg)、固化/熔融焓、反应热。

　　原理：将样品与参比物(惰性材料)同时加热。测量维持两者温度相等所需的功率差。吸热过程(如熔化)需要更多功率，放热过程(如结晶)则相反。

　　优点：样品量少，灵敏度高，可精确测定多种热转变。

　　缺点：测量比热容时需与标准样品对比。

　　应用：聚合物、药物、食品、金属的相变和热容分析。

　　五、 非接触式成像技术

　　红外热成像 (Infrared Thermography, IR)

　　测量参数：表面温度分布。

　　原理：通过红外热像仪探测物体表面发出的红外辐射，并将其转换为二维温度图像。

　　优点：非接触、全场、实时、可视化，能快速发现热点。

　　缺点：只能测量表面温度;精度受发射率、环境反射、大气吸收影响大;无法穿透不透明外壳。

　　应用：电子设备热分布检查、建筑能效评估、工业过程监控、无损检测。

　　六、 其他特殊技术

　　3ω法：用于测量薄膜、纳米线等微纳尺度材料的热导率。

　　光热偏转法 (Mirage Effect)：非接触测量表面或界面的热性能。

　　瞬态热反射法：用于测量薄膜和界面的热导率。

来源：网络