MP-1 多功能分析儀

MP-1 結合瞬態平面熱源法(TPS, ISO 22007-2) 和瞬態熱線法(THW, ASTM D7896) ,此獨特且強大的設計可針對固體、液體、膏體與粉體進行熱傳導率、熱擴散率及比熱的測試。

最適用於:液體、固體、膏體和粉末

MP-1 多功能分析儀

結合用於固體的瞬態平面熱源法(TPS)和用於液體瞬態熱線法(THW),此二測試方法被廣泛用於精確地測量絕對熱導率、熱擴散係數、比熱和熱逸散率。搭配 Thermtest 特有的控溫型平台(TP),在通用性上得到了極大的擴展,並廣受學術和商業用戶的讚賞。

遵循ISO 22007-2和ASTM 7896標準,採用受全世界所信任之TPS和THW作為主要的測量方法,與兩者相關之論文已達1000多篇。

MP-1特性

MP-1與溫控平臺

MP-1規格

測試方法

瞬態平面熱源(TPS)

瞬態線熱(THW)

材料

固體、膏體和粉末

液體、膏體和粉末

方向

3D / 1D: 各向異性、板材、薄膜

整體

熱導率 (W/m•K)

0.005~1800 W/m·K

0.01~2 W/m·K

樣品尺寸*

5 x 5 mm ~無上限

20 mL

樣品厚度*

0.01 mm ~無上限

N/A

附加屬性

熱擴散率| 比熱 | 熱逸散率

熱擴散率| 比熱

接觸熱阻 (m²K/W)

熱阻和熱容量

N/A

溫控平臺 (TP)

0~300 °C

-160 °C | -50 °C | -20 °C | 0~300 °C

10~200 °C | -15/0~200 °C

0~300 °C | -45~300 °C | -160~300 °C

擴展溫度範圍

-160~1000 °C

N/A

測試時間(秒)

0.25~1280

1

數據點 (點/秒)

600

400

精準度

5%

2%

再現性

1%

1%

樣品配置

對稱(雙面) | 不對稱(單面)

N/A

國際標準

ISO 22007-2:2015

ASTM D7896-19

*需根據所使用之測試模組而定

MP-1 測試方法

瞬態平面熱源(TPS)和瞬態熱線法(THW)的原理相似,不同之處主要在於二者的實物設計。兩者的基本原理是感測器與電源和傳感電路保持電性連接,當電流通過感測器時,產生的升溫會隨著時間的推移被記錄下來,產生的熱量會取決於材料熱傳遞特性的速率擴散到樣品中。

瞬態平面熱源(TPS)感測器

TPS感測器專門為固體、膏體和粉末而設計,它由封裝在絕緣層之間的雙螺旋鎳組成。該感測器(雙面)的標準操作是將其夾在兩塊相同的樣品之間;若擴展到單面感測器,僅需一塊樣品。Thermtest的TPS獨家數學計算與分析系統可以測量感測器與樣品之間的接觸熱阻,以及樣品的熱導、熱擴散、比熱和熱逸散率。

瞬態熱線法(THW)感測器

THW感測器專門為液體、膏體和細顆粒粉末而設計,其是由一根長40mm的細加熱線(可更換) 組成,搭配Thermtest的特製樣品置具,可以對液體施加背壓,以測量超過沸點的熱導率、熱擴散率和比熱。測量時間通常在極短的時間內完成(1秒),以限制黏稠範圍廣泛的樣品的對流效應。

熱導率與溫度的關係

由於材料的特殊性,依靠參考資料來預測熱導率或其與溫度的關係可能導致使用的資料不準確。使用NIST(美國國家標準與技術研究所)的《Thermal Conductivity of Selected Materials》(選定材料的熱導率)鋁和石英的參考資料,我們可以看到熱導率隨溫度的變化有很大的差異。由於全球材料的來源甚廣且差異甚多,故能夠充分展現材料的熱性質至關重要。MP-1結合了強大的溫控系統,從而實現了解各溫度區間下的材料熱特性。

引用: Powell, R.W.,Ho, C.Y.,和Liley, P.E. (1996),《Thermal Conductivity of Selected Materials》(選定材料的熱導率)。美國華盛頓:商務部,國家標準局;由美國政府印刷局文獻總監處出售。第17、99頁。

數據採集軟體

MP-1數據採集軟體(DAQ)從初始設計,對測試的所有方面進行智能控制。可智能地控制所有方面的測試(包含測試方法、實驗參數)和時序安排。MP-1的特點之一是具有整合四個連接埠的切換系統,目的在於同時對多個設備和感測器進行自動化控制,以此大幅提升測試效能。

方法和參數

可以針對固體、液體、膏體和粉末選擇合適的測試方法和模組,並對參數進行優化。

時序安排

任何方法、設備和感測器的組合都可以被安排在各種條件下操作,比如溫度範圍。
切換系統

切換系統

每台MP-1都具有整合四個連接埠的切換系統,使其可以使用多種選配設備、溫控平臺和感測器,最大限度地提高了其便利性和測試功能。

分析軟體

為創造更好的用戶體驗,分析軟體(AS)被設計為獨立於DAQ操作,以便於完成廣泛的分析操作。其按照使用者所採用的測試方法對資料進行分組,使結果修正與計算更易於應用。
使用者所應用所有修正變化都會被儲存,以便於進行前後數據的對比。除了可得到結果摘要以外,也便於所有數據的匯總與導出。

TPS接觸熱阻分析

TPS理論認為,溫度上升與時間的非線性部分(即為接觸熱阻)必須去除,因此固有的熱物理計算是奠基在瞬態的線性區域。這可以通過手動移除數據的起始點來完成,直到達到最佳擬合。儘管這是一種合適的方法,但它確實需要有經驗的使用者來降低偏差並實現所需的再現性。

感測器與樣品之間的接觸熱阻取決於樣品表面的品質。當手動去除接觸熱阻時,會去除少量資料點(步驟1),並重新計算以進行最佳的擬合分析。如果得到的殘留平均偏差可以獲得改善,可以去除更多的數據點(步驟2),並重複計算步驟。

原始資料

計算資料

殘留資料

使用Thermtest獨家的接觸熱阻分析(CA), MP-1能夠計算感測器與樣品之間的接觸熱阻(m2K/W),自動去除相應的起始時間。除了更好地理解表面粗糙度對測量的影響,亦大幅簡化了對固有的熱物理性質的分析。

為了展示接觸分析測量的應用,我們對四個具有不同表面粗糙度的316不銹鋼樣品進行了熱物理性質測量。由於MP-1能夠測量接觸熱阻,因此大幅簡化了對計算視窗的選擇,從而最大限度地提高了樣品固有特性的再現性。根據下表,可看到隨著樣品表面粗糙度的增加,測得的接觸熱阻也隨之增加。

316不鏽鋼

表面處理 表面粗糙度 Ra(um) 接觸熱阻 (m²K/W) 熱導
(W/m·K)
熱擴散率
(mm²/s)
體積比熱
(MJ/m³K)
熱逸散
(W√s/m²K)
镜面抛光
0.101
平均
1.00E-04
13.80
3.73
3.70
7149
%RSD
6
0.1
0.4
0.3
0.2
機械加工
0.324
平均
1.54E-04
13.93
3.75
3.71
7194
%RSD
1
0.1
0.3
0.2
0.1
400 目
0.516
平均
1.32E-04
13.84
3.74
3.71
7163
%RSD
2
0.1
0.3
0.3
0.1
80 目
2.78
平均
2.41E-04
13.85
3.73
3.71
7171
%RSD
1
0.02
0.2
0.2
0.1

TPS感測器

TPS (400 °C 或 800 / 1000 °C)

標準的雙螺旋鎳質感測器圖案可以在廣泛的溫度範圍內用於各種材料類型。

TPS雙/單面感測器

TPS感測器的典型(雙面)配置是將其夾在兩片相同的樣品之間。不同的感測器直徑可供測試不同大小的樣品。而非對稱(單面)僅需要一個樣品。

TPS垂直帶狀感測器

新型專利感測器(TPS垂直帶狀感測器)的設計是一個近乎完美的圓,更符合理想的TPS理論。當使用較小的感測器半徑進行測試時,這種優化設計減少了分析時所需的修正,同時降低了測量不確定性。當對小直徑TPS感測器之間的修正半徑進行比較時,TPS垂直帶狀感測器(2mm,1.30%)比相同半徑的TPS雙螺旋感測器(2mm, 5.75%)需要的修正更小。隨著TPS感測器半徑的增加,這種優勢會隨之減少。

半徑(mm) 修正半徑(mm) %差異率
TPS垂直帶狀感測器
2
2.026
1.30
3.2
3.201
0.03
6.4
6.405
0.08
TPS雙螺旋感測器
2
2.115
5.75
3.2
3.28
2.50
6.4
6.591
2.98
9.9
10.11
2.12

TPS模組

Thermtest提供多樣測試模組可供選擇,根據其測試原理分為3D(3維)模組和1D(1維)模組

3D模組(3維模組)

整體熱導率、熱擴散率、比熱和熱滲透率

平面及垂直之熱導率和熱擴散率

導熱薄板,用於薄導電片材的熱導率、熱擴散率和體積比熱

1D模组(1維模組)

用於非平面式材料,比如細長形狀、棒材和棒材的導熱性、熱擴散性
薄膜 (Thin-Film)

薄膜 (Thin-Film)

獨立薄膜或塗層之熱導率與熱阻

其他

精準測量比熱值,並提供多種置具尺寸,以提高異質材料的準確性

TPS配件

馬弗爐

風扇爐

雙面TPS感測器

用於精確的實驗室測試 。

擴展TPS感測器

壓縮支架+溫度

管式爐

TPS 擴充接口

單面TPS感測器

單面TPS感測器

用於測試大型樣品或僅有單塊樣品時 。

測試置具

THW 傳感器和配件

THW-RT 室溫型感測器(10~40 °C)

用於在環境壓力下測量複合材料中的液體、膏體和小顆粒粉末的 THW 傳感器 。

THW-L200感測器 (-50~200 °C) 高達20 bar

用於液體、膏體和細顆粒粉末的THW感測器是不銹鋼結構,有密封的液體置具,允許施加背壓在超過沸點的情況下進行測試 。

THW-L300感測器 (-50~300 °C) 高達35 bar

用於液體、膏體和細顆粒粉末的THW感測器是不銹鋼結構,有密封的液體置具,允許施加背壓在超過沸點的情況下進行測試 。

THW-LT感測器 (-160~200 °C) 高達35 bar

低溫THW感測器用於低溫條件下的液體、膏體和 細顆粒粉末。

膏體和PCM置具

易於特殊相變材料(PCM)的載入。獨特的彈簧設計允許樣品膨脹和收縮,同時確保樣品在測量過程中與THW金屬感測線保持良好的接觸。

環境密度粉末置具

適用於基本的粉末樣品測試和環境壓力測試。

可觀察式置具

用於液體、粉末和膏體測試。該置具帶有方便的玻璃埠,用於觀察樣品的變化情況。典型的應用是相分離、沸騰或顆粒沉降等等。

可變密度粉末置具

帶有螺旋式壓縮系統,用於調整粉末樣品的密度,同時確保粉末與THW金屬感測線保持良好的接觸。

THW 測試

以下是水和乙二醇的熱物理測量結果,證明了瞬態熱線法的準確性。可以施加較低的背壓,以利在超過沸點的情況下進行測試。 

导热率

熱擴散率

體積比熱

乙二醇

导热率

熱擴散率

體積比熱

PCM測試

使用選配的PCM置具易於特殊相變材料(PCM)的載入與測試。獨特的彈簧設計允許樣品膨脹和收縮,同時確保樣品在測量過程中與THW金屬感測線保持良好的接觸。 測量異丙醇 在 -110℃到20℃之間的熱導率、熱擴散率和比熱,在樣品熔化過程中,出現了相變過程中預期應出現的熱導率急劇的“反常”上升。

異丙醇

熱導率

熱擴散率

體積比熱

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