ASTM E1461 閃光法熱擴散標準測試方法

美國材料與試驗協會 (ASTM) 制定的「ASTM E1461 閃光法熱擴散率標準試驗方法」描述了一種主要用於測定均質各向同性固體材料熱擴散率的試驗方法。此試驗方法可在約 75 至 2800 K 的溫度範圍內測量0,1 至 1000 (mm) ^{² s⁻¹範圍內的熱擴散率值。}

ASTM E2585 閃光法熱擴散率標準規範是本測試方法的補充，並提供了有關閃光法使用的詳細資訊。這兩個標準相輔相成。

此測試方法是 ASTM C714 標準測試方法的更詳細形式，適用於更廣泛的材料、應用和溫度，並且測量精度有所提高。

此測試方法旨在適應各種設備設計。但這種測試方法無法具體規定所有可能對缺乏相關技術知識的人構成挑戰的構造和程序細節，也無法將研發局限於基礎技術的改進。

此測試方法適用於對基本完全緻密（最好是，但可接受低孔隙率）、均質且各向同性的固體材料進行測量，這些材料對施加的能量脈衝不透明。經驗表明，透過精心且適當的實驗設計，可以適應這些嚴格規則的一些偏差，並顯著提高該方法的實用性。

熱擴散率是設計應用、確定安全工作溫度、製程控制和品質保證等目的所需的重要瞬態熱特性。

閃光法可用來測量各種固體材料的熱擴散率。該法具有樣品幾何形狀簡單、樣品尺寸要求小、測量速度快、使用方便性等特性。

在某些嚴格條件下，定量使用此方法可測定均質、各向同性、不透明固體樣品的比熱容。熱擴散結果以及相應的比熱容和密度值可用於推導熱導率，在許多情況下，可根據標準中給出的關係式計算。

就本標準而言，固體材料的熱導率是指單位溫差所引起的穩定熱量流過無限大均質材料板（垂直於表面）單位厚度的時間速率。由於該屬性隨溫度變化，因此必須根據特定的平均溫度來定義。固體材料的熱擴散率等於熱傳導率除以其密度與單位質量熱容量的乘積。

測試過程中，將一個小而薄的圓盤樣品置於高強度、短時脈衝輻射能下。脈衝能量被樣品正面吸收，並記錄由此產生的背面溫升（熱曲線）。熱擴散率值是根據樣品厚度和背面溫升達到其最大值指定百分比所需的時間計算得出的。如果要在特定溫度範圍內測定樣品的熱擴散率，則必須在每個相關溫度下重複測量。許多出版物和評論文章對該測試方法進行了詳細描述。此理論的摘要包含在標準附錄（附件X1）中。

典型的樣品是薄圓盤，其正面面積小於能量束的正面面積。樣品直徑通常為 10 至 12,5 毫米（特殊情況下，可使用小至 6 毫米、大至 30 毫米的樣品）。最佳厚度取決於估算的熱擴散量，應選擇適當的厚度，使達到最高溫度一​​半所需的時間在 10 至 1000 毫秒範圍內。在較高溫度下，優選使用較薄的樣品，以最大限度地減少熱損失校正，但樣品應始終足夠厚以代表測試材料。厚度通常為 1 至 6 毫米。

試樣製備時應確保其表面平整且平行，誤差不超過其厚度的0,5%，以使因測量平均厚度而導致的熱擴散誤差保持在1%以下。試樣兩面應避免出現凹坑、刮痕、痕跡等不平整之處。

在進行測量之前，最好先在待測樣品的兩個表面均勻地塗上一層非常薄的石墨或其他高輻射率材料塗層。塗層可以透過濺鍍、塗漆或噴塗等方法進行。這可以增強樣品吸收施加能量的能力，尤其對於高反射材料而言。對於透明材料，應先塗上一層金、銀或其他不透明材料，然後再塗上石墨塗層。對於某些不透明的反射材料，對錶面進行噴砂處理可以提供足夠的減震性和輻射率，尤其是在高溫下，塗層可能不穩定或與材料反應。

測試所用裝置的基本組成部分是閃光光源、樣品支架、環境外殼（選購）、溫度偵測器和記錄器。

• 閃光源可以是脈衝雷射、閃光燈或其他能夠產生高能量短脈衝的裝置。脈衝持續時間應小於背面溫度升至最大值一半所需時間的2%。可以應用脈衝長度校正，使脈衝持續時間大於0,5%。撞擊樣品表面的脈衝能量應在空間上強度均勻。
• 室溫以上和室溫以下的測量都需要環境控制室。
• 溫度偵測器可以是熱電偶、紅外線偵測器、光學高溫計或任何其他能夠提供與微小溫升成比例的線性電輸出的感測器。它應能夠檢測到高於樣品初始溫度 0,05 K 的變化。偵測器及其相關放大器的反應時間應不超過半上升時間值的 2%。
• 訊號調節器包括抑制環境溫度讀數、尖峰濾波器、放大器和類比數位轉換器的電子電路。
• 數據採集系統必須足夠快，以確保對於系統適用的最快熱曲線，確定熱曲線半上升時間的分辨率不大於半上升時間的 1%。
• 樣品溫度測量使用已校準的溫度感測器，例如熱電偶、光學高溫計或鉑電阻溫度偵測器。溫度感測器應與樣品支架緊密接觸或靠近樣品放置。不建議將熱電偶接觸樣品。將熱電偶放置在樣品中是不允許的。
• 溫度控制器或編程器應將樣品加熱至所需溫度。

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