由于50 年代空间技术的推动, 以及70 年代能源危机出现后能源科学技术迅速发展的迫切需要, 人们对物体热物性测量的研究无论在深度和广度上都取得了重大进展。

热物性的测量一般分为两种方法:稳态法和瞬态法。经典的稳态量热法在温度超过1 000 K时, 热平衡时间一般很长, 在某些情况下试样还会发生化学反应, 环境控制和热计算非常複杂。而脉冲加热瞬态测量法克服了稳态法测量时的许多缺陷, 所以很早就引起了人们的重视。自70 年代以来基于微机技术的快速数据採集系统及亚毫秒级(甚至亚微秒级)高速高温计的研製成功, 使这种测量方法的工程套用取得了很大的进展。

70 年代初美国国家标準科学研究院(NIST)的Cezairliyan 等人首先建立了具有先进电子技术的脉冲加热瞬态热物性测量装置。自1975 年以来, 义大利国家计量院(IMGC)的F .Righini 等人也致力于该技术的开发并取得了较大的进展。

70 年代末期IMGC 的Coslovi 等人研製出了亚秒级和亚毫秒级高速高温计, 并利用这两种高温计建成了一套测量材料比热、全波长半球发射率、法向光谱发射率和电阻率的瞬态热物性测量装置。F .Righini 等人研製成功了扫描高速高温计, 从而使测量材料的热传导係数和热膨胀係数变为可能。总之, 迄今为止, 利用脉冲加热技术测量的热物性数据已经被国际上公认为是精度最高的方法之一。

目前世界上一些已开发国家先后建立了各自的脉冲加热瞬态热物性测量装置, 我国在该技术的研究方面还刚刚起步,在几个基金的支持下, 在F .Righini 博士的指导下, 正在设计水平较高的脉冲加热瞬态热物性测量装置。今后, 脉冲加热技术将在快速测量、扩大测量範围及高精度等方面进一步改进与发展。

加压时通电加热和断电冷却同时进行、防止了结合部浮起、虚焊。最适合于柔性材、线材的热压焊、焊锡焊接及树脂粘结。

优越的温度、时间等参数的再现性可以实现高品质产品的生产。

局部瞬时加热方式能良好地控制对周围元器件的热影响。

1.LCD、PDP、手机等电子产品内的柔性线路板的热压接、焊锡焊接等。

2.HDD、线圈、电容、电机、感测器等漆包线的焊锡焊接。

3.电脑等通信机器内的线缆、连线口的焊锡焊接。

4.数位相机、手机等的CMOS、CCD与FPC板的焊锡焊接。

5.继电器、印表机、小型相机等的树脂热压结合。

6.微波器件内部的金线热压结合。

IMGC 的测量装置原理：一个管状样品被亚秒级的脉冲大电流(1 000～ 2 000 A)通电加热, 在此短时间内, 样品传向夹具的热量损失很小, 其中间部分可均匀地达到高温, 试验用的管状样品的标準尺寸如下:长度为70 ～ 100 mm , 直径为6 ～ 10 mm, 壁厚为0.5 mm。样品上的横向小孔构成一个发射率接近于1 的黑体。实验夹具及样品被置于密闭容器内, 容器内抽成真空或充以某种惰性气体。

在试验过程中, 两台高速高温计瞄準样品的黑体及横截剖面以测定样品的真实温度和辐射温度, 对应的被测信号均馈送至由多路转换器、採样保持放大器和模数转换器组成的高速数据採集系统。

样品上的电压降及通过样品的电流和两台高速高温计的输出信号一起馈送到高速数据採集系统。在高速数据採集系统与高温计之间加入一个可控增益放大器以实现量程自动切换, 使得量程覆盖在1 000 K ～ 4 000 K 。这里, 利用低速数据採集系统在试验前后测量高温计的参考信号及暗电流信号。整个系统由微机控制。

脉冲加热技术最主要的优点是可进行多种热物性参数的同时测量, 在一个较宽的温度範围内,比热、电阻率、全波长半球发射率及法向光谱发射率、焓等均可在加热和冷却过程中测量, 并且脉冲加热技术并不局限于固相测量, 还可以进行固液两相交界处的测量。例如, 由于熔解时间相对于数据採集系统的採集时间是一个足够长的时间,可以利用脉冲加热技术测量初始熔解时样品的辐射温度。IMGC 和NIST 已进行了多种试样在熔点处辐射温度的测量, 并且发现对于一种试样无论其初始几何特徵、表面形状如何, 在相同波长下,其熔点处的辐射温度有较好的重複性和一致性,这就使其可以作为高速高温计标定的参考温度点。

随着脉冲加热技术的不断发展, 人们希望能够扩展脉冲加热技术的测量範围, 即不仅仅局限于上述的几种热物性参数, 还能够测量诸如热传导係数、热膨胀係数等热物性参数。这就需要一种能够测量沿试样表面径向温度分布的仪器。

IMGC 的F .Righini 等人首先研製出了一台基于旋转镜的扫描高速高温计。NIST 也研製出了基于硅探测器阵列的扫描高速高温计。NIST 和IMGC 已经在这两种扫描高速高温计的基础上进行了一些材料的热传导係数和热膨胀係数的测量。

雷射干涉仪用来测量试样的径向热膨胀, 同时一台高速扫描高温计测量试样表面的温度场分布。当扫描高速高温计瞄準试样中部的定位线时, 其输出会出现一个向下的阶跃, 此点被定为试样参考坐标系的零位。试样上其他点的空间位置由零位和旋转镜的扫描速度决定。热电偶用来测量扫描高速高温计所不能测量的部位的温度值。整个测量是在加热段进行的, 并受计算机控制。

要测量热传导係数必须存在一个热传导过程, 这可以通过放慢加热速度或在冷却时测量来实现。一般採用的方法是在冷却过程中测量。

一台高速高温计瞄準管状试样上的黑体小孔, 另一台扫描高速高温计用来测量试样的表面温度场分布。

在热膨胀係数和热传导係数的测量中, 必须知道试样表面的真实温度。在冷却阶段只能藉助于法向光谱发射率获得, 虽然法向光谱发射率可以通过单独的实验获得, 但是考虑到不同实验中试样表面的改变、透过率的改变等因素的影响, 使结果的可信度受到怀疑。IMGC 的F .Righini 利用表面发射率技术解决了这个问题。在加热过程中, 利用高速高温计测量黑体的温度,同时扫描高速高温计测量试样中间部分的平均辐射温度, 从而得到试样的表面发射率。这个表面发射率包含了当时实验条件下试样、仪器本身等因素对发射率的影响, 然后再利用此结果计算同一加热过程和随后的冷却过程中试样的温度场分布。

在义大利国家计量院(IMGC)F .Righini 博士的帮助和指导下,开始筹建脉冲加热式材料热物性测量装置。

装置中採用我们研製的稜镜分光式三十五波长高温计。在测量温度的同时可测得材料的光谱发射率, 因而省去了发射率测量装置。16 位同步高速数据採集计算机系统採集实验数据, 参数扩展将在未来的工作中进行。

脉冲加热技术作为测量材料热物性参数的瞬态法之一已经取得了很大的发展。由于它克服了稳态法的缺点, 并实现了多个热物性参数的同时测量而受到了人们的青睐。目前在IMGC 和NIST已经建立了较完整的实验装置, 并且对镍、钨等金属材料在1 500 K 到其熔点附近的多种热物性参数进行了多次测量, 测得结果的精度被国际上公认为是最高的。

目前国外在脉冲加热技术的发展上正向着更快的测量速度(达到10-12秒级)、更宽的温度测量範围(1 000 K ～ 10 000 K)、更高的精度等方向努力。一般来说, 採用如前文所述的电阻自加热法只能使测量在亚秒级到亚毫秒级之间进行, 温度上限最高达到5 000 K , 且只能测量金属导体材料。而利用表面加热法(如脉冲雷射加热)则可使测量速度达到皮秒级, 温度範围达到1 000 K ～ 10000 K , 并且可以测量半导体或非导体材料。随着雷射技术的发展与套用, 这种加热方法正在逐步被各国学者所採用。由于它具有测量速度快且可测量多种材料的优点, 因此这种方法必将成为今后的主攻方向。

当前国内从事脉冲加热技术的研究者很少, 有关方面的文献也很少。随着空间技术和能源科学的迅速发展, 研究材料在高温高压条件下的热物理性质将成为科技工作者的重要任务。而脉冲加热技术作为有效途径之一将作进一步深入研究。