脈衝加熱

脈衝加熱是利用脈衝電流流過鉬、鈦等高電阻材料時產生的焦耳熱去加熱焊接的方式。一般要在加熱咀的前端連線熱點由此而產生的起電力實時反饋回控制電源來保正設定溫度的正確性。前世界上一些已開發國家先後建立了各自的脈衝加熱瞬態熱物性測量裝置, 我國在該技術的研究方面還剛剛起步,在幾個基金的支持下, 在F .Righini 博士的指導下, 正在設計水平較高的脈衝加熱瞬態熱物性測量裝置。

基本介紹

• 中文名：脈衝加熱
• 外文名：Pulse heating
• 定位：焦耳熱去加熱焊接的方式
• 材料：鉬、鈦等高電阻材料
• 分類：物理
• 學科：冶金工程

簡介

由於50 年代空間技術的推動, 以及70 年代能源危機出現後能源科學技術迅速發展的迫切需要, 人們對物體熱物性測量的研究無論在深度和廣度上都取得了重大進展。

熱物性的測量一般分為兩種方法:穩態法和瞬態法。經典的穩態量熱法在溫度超過1 000 K時, 熱平衡時間一般很長, 在某些情況下試樣還會發生化學反應, 環境控制和熱計算非常複雜。而脈衝加熱瞬態測量法克服了穩態法測量時的許多缺陷, 所以很早就引起了人們的重視。自70 年代以來基於微機技術的快速數據採集系統及亞毫秒級(甚至亞微秒級)高速高溫計的研製成功, 使這種測量方法的工程套用取得了很大的進展。

70 年代初美國國家標準科學研究院(NIST)的Cezairliyan 等人首先建立了具有先進電子技術的脈衝加熱瞬態熱物性測量裝置。自1975 年以來, 義大利國家計量院(IMGC)的F .Righini 等人也致力於該技術的開發並取得了較大的進展。

70 年代末期IMGC 的Coslovi 等人研製出了亞秒級和亞毫秒級高速高溫計, 並利用這兩種高溫計建成了一套測量材料比熱、全波長半球發射率、法向光譜發射率和電阻率的瞬態熱物性測量裝置。F .Righini 等人研製成功了掃描高速高溫計, 從而使測量材料的熱傳導係數和熱膨脹係數變為可能。總之, 迄今為止, 利用脈衝加熱技術測量的熱物性數據已經被國際上公認為是精度最高的方法之一。

目前世界上一些已開發國家先後建立了各自的脈衝加熱瞬態熱物性測量裝置, 我國在該技術的研究方面還剛剛起步,在幾個基金的支持下, 在F .Righini 博士的指導下, 正在設計水平較高的脈衝加熱瞬態熱物性測量裝置。今後, 脈衝加熱技術將在快速測量、擴大測量範圍及高精度等方面進一步改進與發展。

特長

加壓時通電加熱和斷電冷卻同時進行、防止了結合部浮起、虛焊。最適合於柔性材、線材的熱壓焊、焊錫焊接及樹脂粘結。

優越的溫度、時間等參數的再現性可以實現高品質產品的生產。

局部瞬時加熱方式能良好地控制對周圍元器件的熱影響。

套用

1.LCD、PDP、手機等電子產品內的柔性線路板的熱壓接、焊錫焊接等。

2.HDD、線圈、電容、電機、感測器等漆包線的焊錫焊接。

3.電腦等通信機器內的線纜、連線口的焊錫焊接。

4.數位相機、手機等的CMOS、CCD與FPC板的焊錫焊接。

5.繼電器、印表機、小型相機等的樹脂熱壓結合。

6.微波器件內部的金線熱壓結合。

利用脈衝加熱技術的多種熱物性參數測量

IMGC 的測量裝置原理：一個管狀樣品被亞秒級的脈衝大電流(1 000～ 2 000 A)通電加熱, 在此短時間內, 樣品傳向夾具的熱量損失很小, 其中間部分可均勻地達到高溫, 試驗用的管狀樣品的標準尺寸如下:長度為70 ～ 100 mm , 直徑為6 ～ 10 mm, 壁厚為0.5 mm。樣品上的橫向小孔構成一個發射率接近於1 的黑體。實驗夾具及樣品被置於密閉容器內, 容器內抽成真空或充以某種惰性氣體。

在試驗過程中, 兩台高速高溫計瞄準樣品的黑體及橫截剖面以測定樣品的真實溫度和輻射溫度, 對應的被測信號均饋送至由多路轉換器、採樣保持放大器和模數轉換器組成的高速數據採集系統。

樣品上的電壓降及通過樣品的電流和兩台高速高溫計的輸出信號一起饋送到高速數據採集系統。在高速數據採集系統與高溫計之間加入一個可控增益放大器以實現量程自動切換, 使得量程覆蓋在1 000 K ～ 4 000 K 。這裡, 利用低速數據採集系統在試驗前後測量高溫計的參考信號及暗電流信號。整個系統由微機控制。

脈衝加熱技術最主要的優點是可進行多種熱物性參數的同時測量, 在一個較寬的溫度範圍內,比熱、電阻率、全波長半球發射率及法向光譜發射率、焓等均可在加熱和冷卻過程中測量, 並且脈衝加熱技術並不局限於固相測量, 還可以進行固液兩相交界處的測量。例如, 由於熔解時間相對於數據採集系統的採集時間是一個足夠長的時間,可以利用脈衝加熱技術測量初始熔解時樣品的輻射溫度。IMGC 和NIST 已進行了多種試樣在熔點處輻射溫度的測量, 並且發現對於一種試樣無論其初始幾何特徵、表面形狀如何, 在相同波長下,其熔點處的輻射溫度有較好的重複性和一致性,這就使其可以作為高速高溫計標定的參考溫度點。

利用掃描高速高溫計的脈衝加熱技術

隨著脈衝加熱技術的不斷發展, 人們希望能夠擴展脈衝加熱技術的測量範圍, 即不僅僅局限於上述的幾種熱物性參數, 還能夠測量諸如熱傳導係數、熱膨脹係數等熱物性參數。這就需要一種能夠測量沿試樣表面徑向溫度分布的儀器。

IMGC 的F .Righini 等人首先研製出了一台基於旋轉鏡的掃描高速高溫計。NIST 也研製出了基於矽探測器陣列的掃描高速高溫計。NIST 和IMGC 已經在這兩種掃描高速高溫計的基礎上進行了一些材料的熱傳導係數和熱膨脹係數的測量。

熱膨脹係數的測量

雷射干涉儀用來測量試樣的徑向熱膨脹, 同時一台高速掃描高溫計測量試樣表面的溫度場分布。當掃描高速高溫計瞄準試樣中部的定位線時, 其輸出會出現一個向下的階躍, 此點被定為試樣參考坐標系的零位。試樣上其他點的空間位置由零位和旋轉鏡的掃描速度決定。熱電偶用來測量掃描高速高溫計所不能測量的部位的溫度值。整個測量是在加熱段進行的, 並受計算機控制。

熱傳導係數的測量

要測量熱傳導係數必須存在一個熱傳導過程, 這可以通過放慢加熱速度或在冷卻時測量來實現。一般採用的方法是在冷卻過程中測量。

一台高速高溫計瞄準管狀試樣上的黑體小孔, 另一台掃描高速高溫計用來測量試樣的表面溫度場分布。

在熱膨脹係數和熱傳導係數的測量中, 必須知道試樣表面的真實溫度。在冷卻階段只能藉助於法向光譜發射率獲得, 雖然法向光譜發射率可以通過單獨的實驗獲得, 但是考慮到不同實驗中試樣表面的改變、透過率的改變等因素的影響, 使結果的可信度受到懷疑。IMGC 的F .Righini 利用表面發射率技術解決了這個問題。在加熱過程中, 利用高速高溫計測量黑體的溫度,同時掃描高速高溫計測量試樣中間部分的平均輻射溫度, 從而得到試樣的表面發射率。這個表面發射率包含了當時實驗條件下試樣、儀器本身等因素對發射率的影響, 然後再利用此結果計算同一加熱過程和隨後的冷卻過程中試樣的溫度場分布。

測試方案及裝置

在義大利國家計量院(IMGC)F .Righini 博士的幫助和指導下,開始籌建脈衝加熱式材料熱物性測量裝置。

裝置中採用我們研製的稜鏡分光式三十五波長高溫計。在測量溫度的同時可測得材料的光譜發射率, 因而省去了發射率測量裝置。16 位同步高速數據採集計算機系統採集實驗數據, 參數擴展將在未來的工作中進行。

總結

脈衝加熱技術作為測量材料熱物性參數的瞬態法之一已經取得了很大的發展。由於它克服了穩態法的缺點, 並實現了多個熱物性參數的同時測量而受到了人們的青睞。目前在IMGC 和NIST已經建立了較完整的實驗裝置, 並且對鎳、鎢等金屬材料在1 500 K 到其熔點附近的多種熱物性參數進行了多次測量, 測得結果的精度被國際上公認為是最高的。

目前國外在脈衝加熱技術的發展上正向著更快的測量速度(達到10-12秒級)、更寬的溫度測量範圍(1 000 K ～ 10 000 K)、更高的精度等方向努力。一般來說, 採用如前文所述的電阻自加熱法只能使測量在亞秒級到亞毫秒級之間進行, 溫度上限最高達到5 000 K , 且只能測量金屬導體材料。而利用表面加熱法(如脈衝雷射加熱)則可使測量速度達到皮秒級, 溫度範圍達到1 000 K ～ 10000 K , 並且可以測量半導體或非導體材料。隨著雷射技術的發展與套用, 這種加熱方法正在逐步被各國學者所採用。由於它具有測量速度快且可測量多種材料的優點, 因此這種方法必將成為今後的主攻方向。

當前國內從事脈衝加熱技術的研究者很少, 有關方面的文獻也很少。隨著空間技術和能源科學的迅速發展, 研究材料在高溫高壓條件下的熱物理性質將成為科技工作者的重要任務。而脈衝加熱技術作為有效途徑之一將作進一步深入研究。