這是一種瞬態(tài)平面熱源法的儀器，用于同時(shí)、快速、精確地測(cè)量材料的多項(xiàng)熱物理性能，最主要的是導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率，并可以計(jì)算出比熱容。

它的核心設(shè)計(jì)理念非常巧妙：使用同一個(gè)探頭既作為加熱源，又作為溫度傳感器。

核心工作原理

熱盤(pán)法的基本原理是：給一個(gè)嵌入在樣品中的平面探頭施加一個(gè)恒定的短時(shí)脈沖功率，使其加熱，同時(shí)持續(xù)監(jiān)測(cè)探頭自身的溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系。通過(guò)分析溫度-時(shí)間響應(yīng)曲線，即可計(jì)算出材料的熱擴(kuò)散率和導(dǎo)熱系數(shù)。

工作步驟詳解

1. 樣品與探頭準(zhǔn)備：

• 將待測(cè)材料制成兩塊尺寸相同的片狀樣品。

• 將專用的Hot Disk探頭像“三明治"一樣夾在兩塊樣品中間，確保探頭與樣品表面充分接觸。探頭通常由雙螺旋結(jié)構(gòu)的金屬絲（如鎳）蝕刻而成，外面覆蓋有柔性的絕緣薄膜（如聚酰亞胺）。

2. 施加熱脈沖：

• 儀器通過(guò)探頭給樣品施加一個(gè)短暫且恒定的加熱功率（P?）。這個(gè)加熱過(guò)程通常只持續(xù)幾秒到幾十秒。

3. 同時(shí)監(jiān)測(cè)溫升：

• 神奇之處在于，這個(gè)通電的金屬探頭在加熱的同時(shí)，其自身的電阻會(huì)隨溫度變化而改變。金屬（如鎳）的電阻值與溫度有良好的線性關(guān)系。

• 儀器通過(guò)非常精確地測(cè)量探頭自身的電阻變化，來(lái)實(shí)時(shí)、直接地測(cè)出探頭（即熱源）的平均溫升（ΔT(τ)）。這個(gè)過(guò)程不需要外部溫度傳感器。

4. 數(shù)據(jù)采集與分析：

• 儀器記錄下整個(gè)加熱過(guò)程中時(shí)間 (τ) 和探頭的平均溫升 (ΔT(τ)) 的數(shù)據(jù)，得到一條溫升-時(shí)間曲線。

5. 數(shù)學(xué)模型擬合：

• 其中 D(τ) 是一個(gè)與熱擴(kuò)散率 (α) 和時(shí)間 (τ) 相關(guān)的函數(shù)，r 是探頭的半徑。

• 這條實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫升-時(shí)間曲線會(huì)與一個(gè)復(fù)雜的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)理論模型進(jìn)行擬合。這個(gè)模型來(lái)源于熱傳導(dǎo)偏微分方程的解析解，它描述了在理想條件下，一個(gè)無(wú)限大介質(zhì)中的平面熱源，其溫升與材料熱性能 (λ-導(dǎo)熱系數(shù), α-熱擴(kuò)散率)、施加的功率 (P?) 和時(shí)間 (τ) 之間的數(shù)學(xué)關(guān)系：
  ΔT(τ) = [P? / (π^(3/2) * r * λ)] * D(τ)

• 儀器的高速處理器通過(guò)迭代算法，不斷調(diào)整導(dǎo)熱系數(shù) (λ) 和熱擴(kuò)散率 (α) 的數(shù)值，使得理論模型計(jì)算出的溫升曲線與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的曲線達(dá)到最佳匹配。

6. 結(jié)果計(jì)算：

• 一旦擬合成功，就得到了材料精確的導(dǎo)熱系數(shù) (λ) 和熱擴(kuò)散率 (α)。

• 如果已知材料的密度 (ρ)，就可以輕松計(jì)算出材料的體積比熱容 (C_p)：
  λ = α * ρ * C_p => C_p = λ / (α * ρ)

技術(shù)優(yōu)勢(shì)（為什么它被廣泛采用）

1. 同時(shí)測(cè)量：一次實(shí)驗(yàn)可同時(shí)獲得導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散率和比熱容三大參數(shù)。

2. 快速：?jiǎn)未螠y(cè)量通常在幾分鐘內(nèi)完成。

3. 精確：直接測(cè)量熱源溫升，減少了接觸熱阻等誤差，精度高。

4. 應(yīng)用范圍廣：

• 固體：各向同性材料（如金屬、陶瓷、塑料）、各向異性材料（如復(fù)合材料、木材）、薄膜等。

• 液體：需使用特殊樣品池。

• 粉末、凝膠等。

5. 非破壞性：施加的熱脈沖很小且時(shí)間短，不會(huì)對(duì)樣品造成明顯損傷或狀態(tài)改變。

總結(jié)

熱盤(pán)式分析儀的工作原理可以概括為：利用一個(gè)兼具加熱和測(cè)溫功能的雙螺旋平面探頭，向樣品施加一個(gè)短暫恒定的熱脈沖，通過(guò)記錄并分析探頭自身溫升與時(shí)間的瞬態(tài)響應(yīng)關(guān)系，再將其與理想熱傳導(dǎo)模型進(jìn)行擬合，從而一次性精確計(jì)算出材料的熱擴(kuò)散率和導(dǎo)熱系數(shù)。

這種將加熱器和傳感器合二為一的巧妙設(shè)計(jì)，是其實(shí)現(xiàn)快速、精確、多參數(shù)同時(shí)測(cè)量的關(guān)鍵。