Способ измерения теплоемкости и температуропроводности твердых материалов в виде пластин Советский патент 1982 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к измерению физико-теишческих свойств твердых материалов и предназначено для использования в материаловедении при гоученин свойств полупроводниковых материалов (варнсторов, термисторов и т.п,), диэлектриков и металлов. Известен способ по которому измерение температуропроводности и теплоемкоста осуществляют следующим образом: световой импульс, генерируемый лазером, подают на передний торец плоского образца и измеряют температуру заднего торца в одной точке и по полученным данным рассчитывают температуропроводность. Для определения теплоемкости данного образца используют непро зрачный диск из стеклообразного графита, который проводят в непосредственный тепловой контакт с образцом со стороны возде ствия лазертюго импульса, и измеряют максимальный подъем температуры заднего торца, который имеет место после подачи теплового импульса Ц. Недостатком данного способа является то, что он не позволяет учесть погрешность определения коэффициента температуропроводности, связанную с неравномерным нестабильным пространственным распределением энергии в лазерном и myльce, а также одновреMeifflo с измерением тешюемкости определить и коэффишсент температуропроводности (из-за наличия непрозрачного диска). Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ, в котором определение коэффициента температуропроводности и теплоемкости осуществляется путем подачи на торец образца теплового импульса и измерении температуры заднего торца в одной точке. По полученным данным, зная энергию светового импутлса и коэффициент черноты поверхности переднего торца, определяют температуропроводность и теплоемкость 2. Недостатком известного способа является наличие погрешности определения коаффициента температ ропроводности, связанной с неравномерным распределением энергии тепло вого импульса по поверхности образца. Известный способ не позволяет в случае использования в качестве теплового импульса светового потока, генерируемого импульс ным лазером типа ГОС-30 учесть погрешность определения теплоемкости, вызва1шу1о неточ1Ш1м определением количества поглощен ной энергии на поверхности торца из-за нестабильного пространственного распределения энергии в лазерном импульсе. Целью изобретения является повышение точности комплексных измерений теплоемкос ти и температуропроводности. Поставленная цель достигается тем, что со гласно способу, заключающемуся в том, что на торец образца подают тепловой импульс и измеряют температуру заднего торца в одной точке, дополнительно измеряют температуру торца в точке, расположенной с нервой точкой измерения на одной прямой, пер пендикулярной торцам , образца, и по полу ченным данным рассчитывают теплоемкость я коэффициент температуропроводности по формуле где а - коэффициент температуропроводност - время, отсчитываемое с момента по дачи теплового импульса; .ti и tj - значения температуры в точках измерения в момент времени ; d - толщина образца; В( - критерий ВиО; Bi:::fO,l. Из анализа температурного поля образца в виде пзтастины, на передний торец ко торой подают тепловой импульс, энергия которого неравномерно распределена по переднему торцу, получим рассчетные формулы для коэффициента температуропроводнос и теплоемкости - „, () Z и .: / (tort/i) Г- - -Ь,4CQ 00 где а - коэффициент температуропроводнос С - теплоемкость образца, X - координата, м; QO - полная энергия теплового импульса дж; А - коэффициент поглощения переднего торца; d - толщина образца, м; t;j - время, с; ti и tj - подъем температуры заднего и переднего торцов, соответственно, в момент времени f, к ; ti Hta - подъем температуры заднего и переднего торцов, соответственно, измеренный после того, как температурное поле в образце вырав1сяется, К. Лля того, чтобы учесть влияние теплообмена образца с окружающей средой, можно использовать с.чедующую рассчетную формулу, которая имеет место при Bj 0,1 dl. fp.iiiltjJ eHii:: il TC.L (to,-to 1B-S,) где Bj - безразмерньп1 критерий Био. Температуропроводность и теплоемкость рассчшъшаются по формуле (2) или (3), соответственно. Дополнительное измерение температуры переднего торца в точке, расположенной на одной прямой, перпендикулярной торцам образца с точкой измерения, лежащей на заднем торце, позволяет, как это следует из формуль (1), исклюгшть при опрсделении а погрещиост), обусловленную неравномерным распределением энергии теплового импульса по поверхности переднего торца образца, которая при реализации способа (2) могла составить 15-20% и тем самым повысив точность измерений. В свою очередь то, что формула (1) справедлива при произвольном пространственном распределении энергии, дает возможность подать на торцевую поверхность образца заведомо всю энергию светового импульса, генерируемого лазером, и, таким образом, позволяет исключить, согласно формулам (2) и (3), погрешность при определении теплоемкости, вызванную нестабильностью пространственного распределения энергии в лазерном импульсе, и тем самым повысить тошость измерений теплоемкости. При изучении свойств полупроводниковых материалов (варисторов, термисторов и т.п.) в виде пластин, на торцевые поверхности которых нанесен)1 электроды, толцдана которых достигает нзскольких микрон. Предлагаемый способ вместе с температуропроводностью и теплоемкостью одновременно в одном эксперименте измерить еще один параметр - удельное сопротивление исследуемого образца. Для этого после измерения теплоемкости на термопары 3 и 4 подают напряжение V и измеряют силу тока I, протекающего через образец, и рассчитывают удельное сопротивление по следующей формулеА.и 5 где V - разность потенциалов между передним и задним.; торцами, В; I - сипа тока, А; р - удельное сопротивление, с - площадь поперечного сечения обра ца (которая практически равна пл щади переднего торца), м. Предложенный способ может использоваться при лабораторных исследованиях физикотехнических свойств твердых материалов в виде пластин в интервале температур 80- 400 К, при этом значительно увеличивается точность определения теплоемкости и температуропроводности. Формула изобретения Способ измерения теплоемкости и температуропроводности твердых материалов в виде пластин, заключающийся в подаче на торец образца теплового имп ульса и измерении температуры другого торца в одной точке, отличающийся тем, что с целью повышения точности измерений теплоемкости и температуропроводности, дополнительно измеряют температуру торца, на который подают тепловой импульс в точке, расположенной с первоначальной точкой измерения на одной прямой, перпендикулярной торцам образца, и по полученным данным рассчитьгеают теплоемкость и коэффициент температуропроводности по формуле JIL MiiHz) . 1 Hi-tw где a - коэффициент температуропроводности;/С - время, отсчить1ваемое. с момента подачи теплового импульса; tj и tj - значе1шя температуры в точках измерения в момент времени 1 ; d - толщина образца; Bj - критерий Био; Bi-$0,l. Источники информации, принятые во внимание при зкспертнзе 1.Фил1шпов Л. П. Измерение тепловых свойств твердых и жидких металлов при высоких температурах. М., МГУ, 1967, с, 98-99. 2.Парцхаладзе К. Г. Методы определения коэффициента темлературопроводиост и теплоемкости. Сборник исс11едован Ш в области тепловых измерений. М., Изд-во. Ставдартов, 1971, с. 38-40 (прототип).