[發(fā)明專利]一種原位測量應力作用下材料面外熱導率的裝置及方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010314387.3
• 申請日: 2020-04-20
• 公開（公告）號: CN111521564A
• 公開（公告）日: 2020-08-11
• 發(fā)明（設計）人: 盧明輝;狄琛;顏學俊;聶越峰;臧一鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 南京大學
• 主分類號: G01N21/17
• 分類號: G01N21/17;G01N25/20;G01N21/01
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 金詩琦

本發(fā)明公開了一種原位測量應力作用下材料面外熱導率的裝置及方法，所述裝置包括時域熱反射測量系統(tǒng)和拉伸樣品臺，偏振分束器一將飛秒脈沖激光器發(fā)射的激光分成泵浦光和探測光，泵浦光經(jīng)過延遲位移臺、光反射鏡，探測光經(jīng)過光學分束器，在偏振分束器二處合束，并聚焦在拉伸樣品臺上。所述方法包括以下步驟：在樣品表面鍍膜；樣品固定在拉伸樣品臺上；使泵浦光的入射和出射方向平行；打開飛秒脈沖激光器，調(diào)節(jié)使光探測器接收的信號最大；進行一次測量，將信號發(fā)送給鎖相放大器；結(jié)果與傳熱模型擬合，獲得熱導率數(shù)值；調(diào)節(jié)樣品達到下一個應變狀態(tài)；重復步驟5～7，直至測量結(jié)束。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對同一樣品在不同應變情況下熱導率演變規(guī)律的原位表征。

技術(shù)領域

本發(fā)明涉及柔性材料檢測領域，具體為一種原位測量應力作用下材料面外熱導率的裝置及方法。

背景技術(shù)

材料的熱學性質(zhì)作為材料的一項基本屬性，在材料研究與應用中具有十分重要的科學意義。在不同的情況下，人們對材料熱學性質(zhì)的要求是截然不同的。例如，要解決電子芯片的散熱問題，材料往往需要具有高導熱率；而在熱電材料、隔熱材料的應用領域，則需要材料具有盡可能低的熱導率。

為了更好地為材料研究服務，需要對材料熱導率進行精確的表征。常見的熱導率測量方法主要有穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法兩種。其中，穩(wěn)態(tài)法對樣品尺寸有嚴格要求，測量過程需要樣品達到熱平衡狀態(tài)，因此測量需要較長的周期。為了克服穩(wěn)態(tài)法的不足，瞬態(tài)法逐漸(如激光閃射法、時域熱反射法等)應運而生。瞬態(tài)法(如激光閃射法、時域熱反射法等)利用脈沖激光對樣品進行瞬態(tài)激勵，通過記錄樣品達到熱平衡狀態(tài)的過程，基于一定的傳熱模型可以對樣品的熱導率進行擬合，大大縮短了測量周期。

同時，由于材料的熱導率具有隨溫度、應力等參數(shù)變化的特點，在不同環(huán)境下對材料熱導率的表征也成為了一個很有意義的問題。常見的有機物材料，由于其本身具有柔性，因此其熱導率往往隨著內(nèi)部應力的變化而改變。對這類材料的精確表征，不僅有利于材料科學的研究，更有利于柔性電子學等新興學科的發(fā)展。然而，市面上卻沒有滿足這類樣品測量需求的儀器設備。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明目的是提供一種基于拉伸樣品臺與時域熱反射的原位測量應力作用下材料面外熱導率的裝置，本發(fā)明的另一目的是提供一種操作簡單、大大擴展現(xiàn)有熱導率表征方法的測量范圍的原位測量應力作用下材料面外熱導率的方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種原位測量應力作用下材料面外熱導率的裝置，包括時域熱反射測量系統(tǒng)和拉伸樣品臺，時域熱反射測量系統(tǒng)包括飛秒脈沖激光器、偏振分束器一、延遲位移臺、光反射鏡、聚焦透鏡、偏振分束器二、光學分束器和光探測器，偏振分束器一將飛秒脈沖激光器發(fā)射的激光分成偏振方向相互垂直的泵浦光和探測光，泵浦光依次經(jīng)過延遲位移臺、光反射鏡，探測光經(jīng)過光學分束器在偏振分束器二處與泵浦光合束，并經(jīng)過聚焦透鏡聚焦在拉伸樣品臺上，拉伸樣品臺反射的激光被光電探測器接收，光電探測器與鎖相放大器相連。

飛秒脈沖激光器波長范圍為700～800nm，重復頻率為80MHz，輸出平均功率為3W。

泵浦光經(jīng)過延遲位移臺，延遲位移臺能夠?qū)崿F(xiàn)泵浦光與探測光之間達到0～4000ps的時間延遲。

鎖相放大器將獲得的同相信號(V_in)、反向信號(V_out)，通過相位信息(-v_in/V_out)與與傳熱模型擬合，獲得柔性材料的熱導率。

拉伸樣品臺包括螺旋桿一、螺旋桿二、位移臺一、位移臺二，螺旋桿一控制位移臺一一維運動，螺旋桿二控制位移臺二一維運動。通過設置位移臺一、位移臺二間的初始間距，即可計算得到相對的位移與應變關(guān)系。測量過程中分別對兩段的位移臺進行控制，即可對樣品施加相應的應變。

鎖相放大器與電腦相連。

上述原位測量應力作用下材料面外熱導率的方法，包括以下步驟：