測(cè)量粉末材料的熱導(dǎo)率

粉末材料的熱導(dǎo)率需求

粉末是一種松散堆積且能自由流動(dòng)的細(xì)顆粒狀散裝固體。它們可以有多種不同的形態(tài)和尺寸，這極大地改變了它們的特性和應(yīng)用。非常粗糙的粉末常見于地質(zhì)應(yīng)用中，如松散的土壤或礫石，其特性常被用于表征建筑材料的質(zhì)量或某一地區(qū)的環(huán)境條件。更細(xì)的粉末通常用于爆炸物應(yīng)用，或用于增材制造，在增材制造中金屬粉末有助于制造新零件。金屬粉末越來(lái)越多地被用作添加劑，以提高聚合物或新型復(fù)合材料等傳統(tǒng)絕緣材料的熱性能。

粉末在工業(yè)和研究中的廣泛應(yīng)用使得能夠準(zhǔn)確、快速地表征其諸如熱導(dǎo)率等特性變得十分重要，因?yàn)檫@是最終材料熱性能的一個(gè)重要指標(biāo)。

圖 1. MTPS 熱導(dǎo)率傳感器，配備有粉末池。將粉末置于傳感器頂部，并用所提供的重物壓實(shí)

圖 2. 科學(xué)家在熱室中使用 TLS 針式探頭，將TLS 針式探頭放入裝有樣品粉末的小瓶中

圖 3. 金屬粉末，常用于金屬增材制造。這些粉末可能相當(dāng)昂貴，這意味著小測(cè)試量是可取的

測(cè)量粉末的有效熱導(dǎo)率

表征粉末形式的材料比表征相同材料的剛體形式面臨許多不同的挑戰(zhàn)和需要考慮的因素。特別是，由于粉末顆粒尺寸小且顆粒之間缺乏強(qiáng)連接，它們更容易受到環(huán)境變化的影響。因此，測(cè)量粉末的有效熱導(dǎo)率通常更有用，因?yàn)樗鼘⒅車h(huán)境的條件作為一個(gè)整體來(lái)考慮。

例如，由于粉末堆積松散，樣品中存在空氣。空氣的含量會(huì)根據(jù)施加在粉末上的壓縮載荷而變化；更大的力會(huì)導(dǎo)致粉末堆積更緊密，從而空氣更少。測(cè)量有效熱導(dǎo)率時(shí)會(huì)考慮到這一點(diǎn)，這一點(diǎn)很重要，因?yàn)榭梢詫?duì)樣品進(jìn)行布置，以最能代表最終使用條件。

C - Therm 公司的 Trident 熱導(dǎo)率儀根據(jù)所檢測(cè)粉末的類型，提供了多種測(cè)量粉末有效熱導(dǎo)率的方法。特別是，改進(jìn)型瞬態(tài)平面源（MTPS）傳感器和瞬態(tài)線源（TLS）傳感器都設(shè)計(jì)用于快速、準(zhǔn)確地測(cè)量粉末的熱導(dǎo)率。具體而言，MTPS 所需的體積小至 1.5 ml，這使得它對(duì)于含能粉末和昂貴粉末都很適用。

圖 4. C-Therm 公司的Trident熱導(dǎo)率儀，配備了瞬態(tài)線源（TLS）和多瞬態(tài)平面熱源（MTPS）傳感器，能夠測(cè)量粉末材料的熱導(dǎo)率

案例亮點(diǎn)一

使用金屬氫化物的儲(chǔ)氫系統(tǒng)

近年來(lái)，為淘汰碳基能源，關(guān)于氫基能源經(jīng)濟(jì)發(fā)展的研究已廣泛開展。因此，金屬氫化物展現(xiàn)出巨大潛力 — 只需通過(guò)加熱，它們就能穩(wěn)定釋放氫氣。了解氫化鈉（NaAlH?）等金屬氫化物粉末的熱學(xué)性質(zhì)至關(guān)重要，這有助于確定其熱響應(yīng)特性以及釋氫速率。

D-Therm 公司的熱導(dǎo)率儀采用改進(jìn)型瞬態(tài)平面熱源（MTPS）傳感器，用于測(cè)量所有金屬氫化物的熱導(dǎo)率。對(duì)這些氫化物的測(cè)量分為兩種形態(tài)：粉末狀，以及將粉末在 6 噸壓力下壓制而成的片狀。測(cè)量結(jié)果如下。

圖 5. 顯示各種金屬氫化物在壓實(shí)狀態(tài)和粉末狀態(tài)下的熱導(dǎo)率

不出所料，壓制樣品表現(xiàn)出高得多的熱導(dǎo)率，這表明壓制樣品可能更適合儲(chǔ)氫，因?yàn)樗鼈兡芨斓剡_(dá)到所需熱量。

此信息最初來(lái)自《金屬氫化物的熱導(dǎo)率和比熱測(cè)量》一文，可在此處鏈接找到。

鏈接：https://ctherm.com/resources/tech-library/thermal-conductivity-and-specific-heat-measurements-of-metal-hydrides/

案例亮點(diǎn)二

金屬增材制造的高溫模擬建模

在金屬增材制造中，通常需要借助模擬來(lái)輔助零件設(shè)計(jì)。在處理激光熔化過(guò)程時(shí)，獲取粉末精確的熱物理數(shù)據(jù)至關(guān)重要，這樣才能確保其在制造過(guò)程中的表現(xiàn)符合預(yù)期。目前，生成熱導(dǎo)率數(shù)值頗具挑戰(zhàn)性，通常采用近似方法。常見的解決辦法包括假設(shè)熱導(dǎo)率與溫度無(wú)關(guān)，或假設(shè)其為塊狀材料熱導(dǎo)率的 20% - 60%，又或者在工藝條件下對(duì)熱導(dǎo)率進(jìn)行深度模擬。這些方法要么不準(zhǔn)確，要么資源消耗極大。

獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的一種方法是使用瞬態(tài)線源（TLS）傳感器。TLS - HT300 能夠精確測(cè)量溫度高達(dá) 300℃ 的粉末的熱導(dǎo)率。

圖 6. TLS-HT300 封裝在一個(gè)小瓶中，小瓶?jī)?nèi)裝有用于增材制造的 Ti-6Al-4V 粉末樣品

TLS 探頭能夠在高達(dá) 300°C 的溫度下進(jìn)行可重復(fù)測(cè)量，從而在無(wú)需額外計(jì)算資源的情況下，構(gòu)建出具有更精確熱性能的改進(jìn)材料模型。

這些數(shù)據(jù)由漢堡大學(xué)收集，可在此處鏈接上查看。

鏈接：https://ctherm.com/resources/webinars/thermal-conductivity-in-additive-manufacturing/