激光导热仪简介

激光导热仪(Laser Flash Apparatus)是一种快速的非接触式测量热导率的仪器。主要用于测量材料的热传导性质，是基于激光闪射法理论设计而成，通过激光脉冲瞬间加热样品表面，捕捉温度变化，以获得样品的热传导性能。它是一种用于物理学、工程与技术科学基础学科、材料科学领域的分析仪器，采用闪光法测试材料的导热性能，适合于高导热系数材料以及高温下的测试，要求的样品尺寸较小，测量范围宽广，可测量除绝热材料以外的绝大部分材料，特别适合于中高导热系数材料的测量。

基本原理

在一定的设定温度T（恒温条件）下，由激光源（或闪光氙灯）在瞬间发射一束光脉冲，均匀照射在样品下表面，使其表层吸收光能后温度瞬时升高，并作为热端将能量以一维热传导方式向冷端（上表面）传播。使用红外检测器连续测量上表面中心部位的相应温升过程，得到类似于下图的温度（检测器信号）升高对时间的关系曲线：

光脉冲宽度接近于无限小或相对于样品半升温时间近似可忽略，热量在样品内部的传导过程为理想的由下表面至上表面的一维传热、不存在横向热流，且外部测量环境为理想的绝热条件（此时样品上表面温度升高至图中的顶点后将保持恒定的水平线），则通过计量图中所示的半升温时间（在接收光脉冲照射后样品上表面温度（检测器信号）升高到最大值的一半所需的时间）t50（或称t1/2），由下式：

α= 0.1388 * d2 / t50 （d: 样品的厚度）

即可得到样品在温度T下的热扩散系数α。

对于实际测量过程中任何对理想条件的偏离（如边界热损耗、样品表面与径向的辐射散热、边界条件或非均匀照射导致的径向热流、样品透明／半透明而表面涂覆不够致密导致的部分光能量透射或深层吸收、t50 很短导致光脉冲宽度不可忽略等），需使用适当的数学模型进行计算修正。

由于导热系数（热导率）与热扩散系数存在着如下的换算关系：

λ(T) = α(T) * Cp (T) * ρ(T)

在已知温度T下的热扩散系数、比热与密度的情况下便可计算得到导热系数。

样品要求

1.通过使用合适的夹具或样品容器并选用合适的热学计算模型，还可测量诸如液体、粉末、纤维、薄膜、熔融金属、基体上的涂层、多层复合材料、各向异性材料等特殊样品的热扩散系数并进而计算导热系数。但要求样品测试时表面平整、厚度均匀。

2.   垂直方向导热系数：圆片：直径12.7±0.2mm或25.4±0.2mm，厚度0.5~4mm 。

3.   水平方向导热系数：圆片：25.4±0.2mm，厚度0.1~1mm，最小厚度不低于20μm。

案例分析

1.垂直方向导热系数测量

铝基板是常用的一种散热基材，在LED灯具中，它垂直方向的导热系数关系着整个灯具的散热性能。但常规的稳态热源法，对于高导热的纯铝基板测试存在较大误差，因此，选择采用激光法能有效规避这个问题。

将铝基覆铜板上的铝基材打磨成12.7mm圆，厚度1~4mm，在25℃条件下，采用“Single”模式测试热扩散系数，输入密度和比热容参数，换算得到导热系数。

2.水平方向导热系数测量

对于水平方向热导率受关注的材料，如散热片、散热器、包装材料等采用特殊In-Plane托盘测试。

该托盘底座中心有5mm圆孔接收光源能量，盖子直径26mm，中心有10mm挡片屏蔽垂直热信号，外围2mm圆环供检测器检测水平热信号。以石墨烯薄膜为例，裁剪成25.4mm圆，在25℃条件下，用“In-Plane”模式测试水平方向热扩散系数，结合密度和比热容参数，计算导热系数。

总结

激光闪射法导热系数仪凭借其广泛的测量范围，可覆盖<0.1-2000W/m*K的导热系数区间，适用于从低导热聚合物到超高导热金刚石等多种材料。

其测量温度范围宽，样品适应性强，不仅能测试常规固体片状材料，还能通过合适夹具、样品容器和热学计算模型，测量液体、粉末、纤维、薄膜、熔融金属、基体涂层、多层复合材料、各向异性材料等特殊样品的热扩散系数并计算导热系数，为材料热传导性能研究和应用提供了强大支持。