激光导热仪

基本原理

激光闪射法（Laser Flash Analysis, LFA）是一种瞬态法热物性测试技术：一束激光脉冲（Nd:YAG，1064 nm）瞬间加热样品正面，样品背面的温度随时间上升，由红外检测器（InSb/MCT）记录背面温升曲线。通过半升温时间法（Cowan / Cape-Lehman 模型拟合）计算热扩散系数 α = 0.1388·d²/t1/2（d 为样品厚度，t1/2 为背面温度升至最大值一半所需时间）。导热系数 λ 由 α 结合密度 ρ （称重/浮力法）与比热容 Cp（DSC 或 LFA 直接比热模式）计算：λ = α·ρ·Cp。该方法测试速度快（单点 2～5 min）、温度上限高，依据 ASTM E1461 / ISO 18755 / GB/T 22588 标准，广泛用于金属、陶瓷、耐火材料、复合材料的高温导热表征。

设备参数范围

典型应用场景

▎金属与合金

1. 高温合金、铝/铜/钛等金属导热性能评估，支持 RT～1000°C 以上变温测试

2. 热处理工艺优化：通过 α/λ 随温度曲线判断组织变化对导热的影响

▎陶瓷与耐火材料

1. 氧化铝、碳化硅、氮化硅等结构陶瓷的高温导热表征，最高可至 2800°C

2. 耐火砖、隔热瓦等热防护材料的性能认证与选型，依据 GB/T 22588

▎复合材料

1. 碳纤维复合材料面内/厚度方向各向异性导热测试，多次装样调整取向

2. 碳/碳复合材料、热防护材料的超高温（>1500°C）热物性服役评估

▎电子散热与新能源

1. 功率模块基板（AlSiC、DBC）导热与界面热阻评估

2. 电池材料、导热界面材料（TIM）的高温导热性能筛选与失效分析

测试项目

测试标准依据

• ASTM E1461 –《用闪光法测定热扩散率的标准试验方法》

• ASTM E2585 –《聚合物材料热扩散率和比热容测定的标准试验方法》

• DIN EN 821 –《高级陶瓷 – 热扩散率的测定》

• DIN 30905 –《航空航天系列 – 材料热物理性能测试方法》

• ISO 22007-1 & ISO 22007-2 –《塑料 – 导热系数与热扩散率的测定》

• ISO 18755 –《精细陶瓷 – 热扩散率的测定（闪光法）》

1 样品准备和前处理

· 样品加工为圆片/方片：直径 ø10～25.4 mm（典型 ø12.7 mm），厚度 0.1～6 mm，用千分尺测厚（精确至 0.01 mm）

· 上下表面研磨抛光，保证平整、平行、无划痕（平行度优于 0.02 mm），表面喷涂石墨/碳层提高吸收率与发射率

· 测量样品直径与质量，计算密度 ρ（浮力法更准），记录材料名称与预估 λ 范围

2 测试条件和设置

· 设置测试温度点/程序：如 RT/200/400/600/800/1000°C，升温速率 10～20 K/min，恒温稳定后再测量

· 选择激光脉冲宽度（0.3～1.2 ms）与能量，设置检测器增益与采样率（高导金属用短脉冲高采样率）

· 设定气氛：惰性气体（Ar/N₂）保护或真空，高温测试前充分吹扫（≥30 min）

3 数据采集

· 将样品置于炉内支架，对准激光光路与红外检测器，确保背面检测区域覆盖样品中心

· 每个温度点采集 3～5 次激光脉冲，检查背面温升曲线重复性（t1/2 偏差 <2%）

· 记录各温度点的背面温升曲线与半升温时间 t1/2，观察曲线是否出现异常抬升或畸变

4 数据处理和结果

· 选择拟合模型：Cowan/Cape-Lehman（含热损失修正），计算 α = 0.1388·d²/t1/2

· 结合 ρ 与 Cp（LFA 直接比热模式或 DSC 数据）计算 λ = α·ρ·Cp，标注不确定度

· 输出 α/λ 随温度曲线与检测报告（含原始温升曲线、测试条件、结果与不确定度评估）

Q1：LFA 直接测的是什么参数？

A1：LFA 直接测量热扩散系数 α，导热系数 λ 需配合密度 ρ（称重/浮力法）与比热容 Cp（DSC 或 LFA 直接比热模式）计算：λ = α·ρ·Cp。

Q2：LFA 与 TPS 热盘法怎么选？

A2：LFA 适合固体小圆片、高温（>500°C）金属/陶瓷/耐火材料；TPS 适合粉末/膏体/液体、各向异性块体，一次测出 λ/α/Cp 三个参数但温度上限低。

Q3：LFA 717 最高能测到多少度？

A3：LFA 717 为高温型激光闪射仪，配石墨炉最高可至 2800°C，是超高温导热测试的首选；具体温度上限取决于炉体配置与样品耐受温度。

Q4：样品为什么要喷涂石墨？

A4：石墨层可提高样品表面对激光的吸收率与对红外检测的发射率，减小表面反射差异带来的系统误差；喷层需均匀（约 10～50 μm）。

Q5：测试一个温度点要多久？

A5：单点含脉冲采集与模型拟合约 2～5 min；变温测试（如 6 个温度点）含升降温与恒温稳定，整体约 1～2 个工作日（不含报告）。

氧化铝陶瓷高温导热性能评估

【背景】

某电子陶瓷厂商需评估 99% 氧化铝陶瓷在 RT～1000°C 的导热性能，用于功率模块基板选型。

【测试条件】

• 方法：激光闪射法 LFA；仪器：NETZSCH LFA 717

• 样品：ø12.7 mm × 2.0 mm 圆片，上下表面喷涂石墨

• 温度点：RT/200/400/600/800/1000°C；气氛：氩气保护

• 激光脉宽 0.5 ms，每点 3 次脉冲取平均

【分析结果】

RT：α = 8.9 mm²/s，λ = 25.6 W/mK；1000°C：α = 3.2 mm²/s，λ = 6.8 W/mK，随温度升高单调下降、降幅趋缓。

【结论】

氧化铝导热随温度升高显著下降，符合陶瓷晶格散射主导规律，高温段热辐射贡献使降幅收窄，满足功率模块基板应用要求。

碳/碳复合材料超高温热防护表征

【背景】

某航天院所需评估 2D 碳/碳复合材料在 2000°C 以上的热扩散行为，为热防护系统设计提供数据。

【测试条件】

• 方法：激光闪射法 LFA；仪器：NETZSCH LFA 717（石墨炉）

• 样品：ø12.7 mm × 3.0 mm，面内与厚度方向各 3 片

• 温度：RT/500/1000/1500/2000/2500°C；气氛：氩气

• 启用辐射热损失修正模型（Cape-Lehman）

【分析结果】

厚度方向 α 从 RT 的 8.5 mm²/s 升至 2500°C 的 28 mm²/s；面内 α 始终为厚度方向的 3～5 倍，高温段增幅明显。

【结论】

高温下热辐射对 α 贡献显著，热防护层厚度设计必须考虑温度相关的导热变化，不能沿用常温数据外推。

AlSiC 封装基板导热对比

【背景】

某功率电子封装企业需对比两种 SiC 含量不同的 AlSiC 基板的导热性能，用于车规级功率模块选材。

【测试条件】

• 方法：激光闪射法 LFA；仪器：NETZSCH LFA 717

• 样品：ø12.7 mm × 2.5 mm 圆片，喷涂石墨

• 温度：25°C 与 150°C；激光脉宽 0.4 ms

• 密度：阿基米德浮力法；Cp：LFA 直接比热模式

【分析结果】

基板 A（SiC 25 vol%）：λ = 195 W/mK；基板 B（SiC 40 vol%）：λ = 210 W/mK；150°C 时两者 λ 均下降约 8%。

【结论】

提高 SiC 含量可提升基板导热，但需平衡热膨胀匹配；150°C 下导热衰减可控，两种基板均满足车规级封装要求，基板 B 散热余量更优。