[發明專利]同時測定低維材料熱導率、熱擴散率和熱容的方法及系統

有效

• 申請號: 201410342184.X
• 申請日: 2014-07-17
• 公開（公告）號: CN104155336A
• 公開（公告）日: 2014-11-19
• 發明（設計）人: 祝淵;陳克新
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 朱琨

技術領域

本發明屬于低維材料熱測試技術領域，尤其涉及一種同時測定低維材料熱導率、熱擴散率和熱容的方法及系統。

背景技術

目前使用的材料的熱傳導性能的測試方法，大致可分為穩態法和瞬態法兩類。其中穩態法是基于ASTM5470的各類制具，適用于測量各向同性材料。對于扁平的片狀材料，只能測量上下表面間的熱導率。如果測量對象為石墨片這樣的各向異性二維平面材料，面內熱傳導性能和層間熱傳導性能具有上百倍的差異，穩態法不能準確地測出面內的熱傳導性能。所以現有技術大多使用瞬態法來解決。其中比較典型的是3ω法和激光脈沖法，但是3ω法制樣麻煩，而且信噪比一直不高，所以尚無商用設備問世。激光脈沖法操作簡單，適用樣品范圍廣，所以有一系列產品，比如德國耐馳公司的FA447等型號。但是激光脈沖法只能測量片材并且只能給出熱擴散率α[m²/s]的信息，要想計算熱導率λ[W/m-K]，還要使用其他方法測出恒容熱容C_v[J/m³-K]，然后利用式(1)計算得出

λ＝C_vα???(1)

如果測試對象是碳纖維這樣的一維線型材料，那么無論是3ω法還是激光脈沖法都不能適用。Angstrom于1861年發表了一種瞬態法測量二維或一維材料熱擴散率的方法，使用正弦熱波作為加熱源，通過分別測量距離熱源x、x’處的樣品隨時間變化的溫度，采集兩個衰減程度不同但和熱源頻率相同的正弦波信號。使用式(2)來計算樣品的熱擴散率α[m²/s]

α=(x′-x)22dtlnMM′---(2)]]>

其中，(x′-x)是兩個測溫點之間的距離，dt為兩測溫點采集波形的相位差，M/M’是兩波形的振幅之比。該方法雖然數學上比較巧妙，但是由于精度不高，并且當時低維熱導材料不多，所以沒有實現廣泛應用或商業化。另外該方法也不能實現熱擴散率、熱容和熱導率的同時測量。

發明內容

為了解決能同時測量低維材料熱擴散率、熱容和熱導率并提高測量精度的問題，本發明提出了一種低維材料面內或軸向熱測試的方法及系統。

一種低維材料面內或軸向熱測試的方法，包括如下步驟：

a)以正弦波熱源加熱樣品n次，其中n大于或等于2且小于或等于20，每次加熱的正弦波的振蕩周期分別表示為ω_i；

b)每次在樣品離熱源分別為x、x’距離的兩個不同部位加熱，采集溫度信號T_i、T’_i，所得兩列信號為隨時間t變化的函數T_i(t)、T′_i(t)都是以周期為ω_i的正弦波形，只是振幅有所不同，離熱源近的振幅較大；

c)調整正弦波熱源的頻率為ω_i，i為取值1～20的正整數，重復步驟b)，得到一系列不同頻率下的波形組T_i(t)、T′_i(t)；

d)將每個頻率ω_i下的T_i(t)、T′_i(t)進行正弦波形擬合，得到振幅M_i、M′_i以及T_i(t)、T′_i(t)兩條正弦波之間的相位差dt_i；

e)根據式(2′)計算不同頻率ω_i下的熱擴散率α_i，求平均值，即為樣品熱擴散率α^*，