用于增材制造和粉末冶金應(yīng)用的粉末熱導(dǎo)率測(cè)量

增材制造（AM）是通過(guò)逐層添加材料來(lái)制造物體或所需零件的過(guò)程。與金屬和陶瓷相關(guān)的增材制造工藝包括選擇性激光燒結(jié)、電子束熔煉和激光粉末床熔合。對(duì)于塑料，可以采用這些工藝以及擠壓等其他技術(shù)。在所有情況下，均使用熱源（可以是加熱元件或電弧等物理熱源，也可以是激光或電子束等高能量束）以局部方式將原料（通常為粉末）熔化到所需位置。然后，在沉積下一層之前，使局部熔化的材料重新凝固。

這些工藝的熱力學(xué)極其復(fù)雜，并且在很大程度上取決于原料成分和質(zhì)量、工藝化學(xué)、環(huán)境氣氛、沉積速率，以及在一定程度上取決于所加工的零件。因此，增材制造工藝的優(yōu)化頗具挑戰(zhàn)性。金屬面臨更多挑戰(zhàn)，因?yàn)橥ǔＰ枰刂平饘俚拇慊鹨钥刂坪辖鹬械南喾植迹貏e是在處理形狀記憶合金時(shí)。陶瓷往往相對(duì)易碎，容易受到熱應(yīng)變影響，因此必須注意避免材料中形成過(guò)大的熱梯度，以免成品零件出現(xiàn)裂紋。聚合物需要嚴(yán)格控制溫度，以確保成品零件的質(zhì)量良好，并避免在工件中形成密度梯度等問(wèn)題。

圖1. 通過(guò)增材制造工藝制成的零部件

圖2. 混合物中存在未完全分散或未均勻混合的顆粒

為什么熱導(dǎo)率很重要？

要對(duì)這些工藝進(jìn)行高效優(yōu)化，需要全面了解系統(tǒng)的熱物理性質(zhì)，以及成分穩(wěn)定、特性明確的粉末原料。就模擬這些工藝的熱管理以及所涉及的冷卻動(dòng)力學(xué)而言，熱導(dǎo)率尤為重要。

如何測(cè)量增材制造原料的熱導(dǎo)率？

為了了解增材制造（AM）工藝熱區(qū)的熱量消散速度，需要全面了解零件、熔體和原料的熱導(dǎo)率。熱導(dǎo)率測(cè)量能提供這種認(rèn)知。C-Therm 公司的 Trident 儀器提供了多熱盤法（MTPS），可快速簡(jiǎn)便地表征原料和零件，僅需一種材料樣本。Trident 的熱盤法（TPS）各向異性功能可對(duì)各向異性沉積零件進(jìn)行表征。最后，熱光掃描（TLS）模塊可在單個(gè)測(cè)試平臺(tái)上對(duì)聚合物的熔體相進(jìn)行測(cè)試。這種認(rèn)知也可從多種技術(shù)方法中受益 — 通過(guò)熱重分析（TGA）和量熱技術(shù)來(lái)了解熱穩(wěn)定性、熱容和相變熱，這將有助于測(cè)量吸收的熱量以及材料的加熱和冷卻速度。

圖3. Trident 能夠使用瞬態(tài)平面熱源法（MPTS）、瞬態(tài)平面源法（TPS）和針探頭法測(cè)量熱導(dǎo)率

圖4. MTPS 傳感器技術(shù)只需要一個(gè)接觸點(diǎn)

案例亮點(diǎn)一

在粉末冶金和粉末混合中，如何運(yùn)用熱擴(kuò)散率？

圖5. MTPS 傳感器可應(yīng)用于測(cè)試粉末混合均勻度

C-Therm 的 MTPS 熱擴(kuò)散率法可應(yīng)用于粉末測(cè)試，以監(jiān)測(cè)混合均勻度。

圖6. 混合行為可能存在未知狀態(tài)（左）、均勻穩(wěn)定狀態(tài)（中）或輕微狀態(tài)（右）。了解混合行為對(duì)于獲得高質(zhì)量的測(cè)試結(jié)果至關(guān)重要。

C-Therms MTPS 方法可集成到混合機(jī)中，可在線或離線應(yīng)用于原料生產(chǎn)中的混合均勻性測(cè)試。通過(guò)在不同位置放置多個(gè)傳感器，可以確?；旌衔锏臒嵛锢砭鶆蛐?。

圖7. 熱擴(kuò)散率在確定穩(wěn)定混合與分離區(qū)域中的應(yīng)用。

如上圖所示，C-Therm 公司的 MTPS 傳感器能夠輕松識(shí)別穩(wěn)定混合特性區(qū)域以及過(guò)度混合后出現(xiàn)的分層區(qū)域。