一、概述

材料的导热性能测试方法众多，大体可分为稳态法与瞬态法两大类。其中稳态法（包括热流法、保护热流法、热板法等）根据Fourier方程直接测量导热系数，但温度范围与导热系数范围较窄，主要适用于在中等温度下测量中低导热系数材料。瞬态法则应用范围较为宽广，尤其适合于高导热系数材料以及高温下的测试，其中发展快、具代表性、得到热物理学界普遍承认的方法是闪光法（Flash Method，有时也称为激光法，激光闪射法）。

闪光法所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。除常规的固体片状材料测试外，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传导性能。

闪光法相关测量标准：

ASTM E-1461：Standard Test Method for Thermal Diffusivity of Solids by the Flash Method

DIN EN 821

DIN 30905

二、原理

闪光法直接测量的是材料的热扩散系数，其基本原理示意如下：

图中在一定的设定温度T（由炉体控制的恒温条件）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样品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：

在理想情况下，光脉冲宽度接近于无限小，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，外部测量环境则为理想的绝热条件、不存在热损耗（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t50（定义为在接受光脉冲照射后样品上表面温度（检测器信号）升高到大值的一半所需的时间，或称t_1/2），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对理想条件的任何偏离（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α、比热Cp与密度ρ的情况下便可计算得到导热系数。其中密度一般在室温下测量，其随温度的变化可使用材料的线膨胀系数表进行修正（同时修正样品厚度随温度的变化），在测量温度不太高、样品尺寸变化不太大的情况下也可近似认为不变。比热可使用文献值、可使用差示扫描量热法（DSC）等其他方法测量，也可在闪光法仪器中使用比较法与热扩散系数同时测量得到。对于比较法的原理简述如下：

使用一个与样品截面形状相同、厚度相近、热物性相近、表面结构（光滑程度）相同且比热值已知的参比标样（以下简写为std），与待测样品（以下简写为sam）同时进行表面涂覆（确保与样品具有相同的光能吸收比与红外发射率），并依次进行测量，在理想的绝热条件下，得到如下的两条测试曲线：

此时根据比热定义：

Cp = Q / △T * m   （Q：样品吸收的能量；△T：样品吸收能量后的温升；m：样品质量）

则：

Cp_sam / Cp_std = (Q_sam / △T_sam * m_sam) /（Q_std / △T_std * m_std）

在光源照射能量相同、样品与标样下表面吸收面积与吸收比相同的情况下，Q_sam = Q_std；在环境温度一定、样品与标样上表面检测面积一致、红外发射比相同的情况下△T与△U的换算因子固定，可将上式中的△T用检测器信号差值△U代替，则上式可转换为：

Cp_sam / Cp_std =（△U_std * m_std）／（△U_sam * m_sam）

其中Cp_std、m_std、m_sam均为已知，△U（△T）在理想绝热条件下为不随时间而变的确定值，可由上图的曲线水平段直接读到。则：

Cp_sam ＝ Cp_std *（△U_std * m_std）／（△U_sam * m_sam）

需要指出的是，一般实际的测试条件均偏离绝热条件，样品受照射后在升温过程中即同时伴随着热损耗，由此非但△T（△U）在达到大值后不能保持水平稳定，即使是△T～t实测曲线上的高点△T_meas亦与绝热条件下的△T_adiabatic有一定偏差。如下图所示：

因此在进行比热计算前，需对△T_meas进行热损耗修正，使用修正后的△T_corr进行比热计算。（该修正在Netzsch LFA Proteus软件中已包含在热扩散系数计算步骤中）

另外，若对标样与样品测试所使用的光脉冲能量不同，需在上面的计算式的Q一项中引入相应的比例系数；若信号放大倍数不同还须在△U一项中引入比例系数，此为具体技术枝节，相应换算由软件自动完成，此处不再赘述。