這是一種瞬態(tài)平面熱源法的儀器，用于同時、快速、精確地測量材料的多項熱物理性能，最主要的是導熱系數(shù)和熱擴散率，并可以計算出比熱容。

它的核心設計理念非常巧妙：使用同一個探頭既作為加熱源，又作為溫度傳感器。

核心工作原理

熱盤法的基本原理是：給一個嵌入在樣品中的平面探頭施加一個恒定的短時脈沖功率，使其加熱，同時持續(xù)監(jiān)測探頭自身的溫度隨時間的變化關系。通過分析溫度-時間響應曲線，即可計算出材料的熱擴散率和導熱系數(shù)。

工作步驟詳解

1. 樣品與探頭準備：

• 將待測材料制成兩塊尺寸相同的片狀樣品。

• 將專用的Hot Disk探頭像“三明治"一樣夾在兩塊樣品中間，確保探頭與樣品表面充分接觸。探頭通常由雙螺旋結構的金屬絲（如鎳）蝕刻而成，外面覆蓋有柔性的絕緣薄膜（如聚酰亞胺）。

2. 施加熱脈沖：

• 儀器通過探頭給樣品施加一個短暫且恒定的加熱功率（P?）。這個加熱過程通常只持續(xù)幾秒到幾十秒。

3. 同時監(jiān)測溫升：

• 神奇之處在于，這個通電的金屬探頭在加熱的同時，其自身的電阻會隨溫度變化而改變。金屬（如鎳）的電阻值與溫度有良好的線性關系。

• 儀器通過非常精確地測量探頭自身的電阻變化，來實時、直接地測出探頭（即熱源）的平均溫升（ΔT(τ)）。這個過程不需要外部溫度傳感器。

4. 數(shù)據采集與分析：

• 儀器記錄下整個加熱過程中時間 (τ) 和探頭的平均溫升 (ΔT(τ)) 的數(shù)據，得到一條溫升-時間曲線。

5. 數(shù)學模型擬合：

• 其中 D(τ) 是一個與熱擴散率 (α) 和時間 (τ) 相關的函數(shù)，r 是探頭的半徑。

• 這條實驗測得的溫升-時間曲線會與一個復雜的瞬態(tài)熱傳導理論模型進行擬合。這個模型來源于熱傳導偏微分方程的解析解，它描述了在理想條件下，一個無限大介質中的平面熱源，其溫升與材料熱性能 (λ-導熱系數(shù), α-熱擴散率)、施加的功率 (P?) 和時間 (τ) 之間的數(shù)學關系：
  ΔT(τ) = [P? / (π^(3/2) * r * λ)] * D(τ)

• 儀器的高速處理器通過迭代算法，不斷調整導熱系數(shù) (λ) 和熱擴散率 (α) 的數(shù)值，使得理論模型計算出的溫升曲線與實驗測得的曲線達到最佳匹配。

6. 結果計算：

• 一旦擬合成功，就得到了材料精確的導熱系數(shù) (λ) 和熱擴散率 (α)。

• 如果已知材料的密度 (ρ)，就可以輕松計算出材料的體積比熱容 (C_p)：
  λ = α * ρ * C_p => C_p = λ / (α * ρ)

技術優(yōu)勢（為什么它被廣泛采用）

1. 同時測量：一次實驗可同時獲得導熱系數(shù)、熱擴散率和比熱容三大參數(shù)。

2. 快速：單次測量通常在幾分鐘內完成。

3. 精確：直接測量熱源溫升，減少了接觸熱阻等誤差，精度高。

4. 應用范圍廣：

• 固體：各向同性材料（如金屬、陶瓷、塑料）、各向異性材料（如復合材料、木材）、薄膜等。

• 液體：需使用特殊樣品池。

• 粉末、凝膠等。

5. 非破壞性：施加的熱脈沖很小且時間短，不會對樣品造成明顯損傷或狀態(tài)改變。

總結

熱盤式分析儀的工作原理可以概括為：利用一個兼具加熱和測溫功能的雙螺旋平面探頭，向樣品施加一個短暫恒定的熱脈沖，通過記錄并分析探頭自身溫升與時間的瞬態(tài)響應關系，再將其與理想熱傳導模型進行擬合，從而一次性精確計算出材料的熱擴散率和導熱系數(shù)。

這種將加熱器和傳感器合二為一的巧妙設計，是其實現(xiàn)快速、精確、多參數(shù)同時測量的關鍵。