[發(fā)明專利]一種跨尺度固體導(dǎo)熱系數(shù)的測量方法及裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210105834.3
• 申請日: 2022-01-28
• 公開（公告）號: CN114460131B
• 公開（公告）日: 2023-08-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄭飛虎;黃陳昱;陳師杰;魏倩
• 申請（專利權(quán)）人: 同濟(jì)大學(xué)
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 上海科盛知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 蔡彭君

1.一種跨尺度固體導(dǎo)熱系數(shù)的測量方法，其特征在于，包括以下步驟：

將介質(zhì)薄膜雙面金屬化后作為介質(zhì)探測器，將固體樣品通過熱界面材料與介質(zhì)探測器的一個自由面進(jìn)行熱耦合貼緊；

施加激光脈沖作用于介質(zhì)探測器的另一個自由面，在介質(zhì)探測器兩側(cè)施加直流電壓，在介質(zhì)薄膜內(nèi)產(chǎn)生均勻分布的電場，通過信號測量電路采集介質(zhì)薄膜內(nèi)因熱擾動而產(chǎn)生的實測響應(yīng)電流；

根據(jù)介質(zhì)探測器-熱界面材料-固體樣品的結(jié)構(gòu)建立熱傳導(dǎo)模型，所述熱傳導(dǎo)模型用于計算介質(zhì)薄膜內(nèi)的溫度分布變化；

以固體樣品的導(dǎo)熱系數(shù)和熱界面材料的厚度為未知變量，調(diào)整熱傳導(dǎo)模型中固體樣品的導(dǎo)熱系數(shù)和熱界面材料的厚度，求解得到介質(zhì)薄膜內(nèi)的溫度分布變化，基于溫度分布變化計算得到相應(yīng)的仿真響應(yīng)電流，將仿真響應(yīng)電流與實測響應(yīng)電流傅里葉變換為實測響應(yīng)電流譜和仿真響應(yīng)電流譜進(jìn)行對比擬合；若二者的擬合度滿足預(yù)設(shè)置的收斂條件，則將此時熱傳導(dǎo)模型中固體樣品的導(dǎo)熱系數(shù)作為測量結(jié)果，否則，重復(fù)此步驟；

其中，仿真響應(yīng)電流譜的計算公式如下：

其中，i_sim(ω)表示仿真響應(yīng)電流譜，A為介質(zhì)薄膜的受輻照面積，E為介質(zhì)薄膜內(nèi)部的均勻電場，d為介質(zhì)薄膜的厚度，χ＝(α_ε-α_z)ε_rε₀，α_ε是介電常數(shù)的溫度系數(shù)，α_z是熱膨脹系數(shù)，ε₀為真空介電常數(shù)，ε_r為介質(zhì)薄膜的相對介電常數(shù)，ΔT₂(z,ω)為介質(zhì)薄膜內(nèi)的溫度分布變化在頻域上的數(shù)值表達(dá)；

ΔT₂(z,ω)是根據(jù)建立的熱傳導(dǎo)模型計算得到的，所述熱傳導(dǎo)模型具體為：

將介質(zhì)探測器-熱界面材料-固體樣品表示為5層結(jié)構(gòu)，下標(biāo)i＝1、2、3、4、5分別指代接地電極、介質(zhì)薄膜、加壓電極、熱界面材料、固體樣品，所述接地電極為介質(zhì)薄膜接收激光脈沖一側(cè)的金屬電極，所述加壓電極為介質(zhì)薄膜靠近固體樣品一側(cè)的金屬電極，激光脈沖作為熱脈沖在介質(zhì)薄膜厚度方向上的傳導(dǎo)符合一維熱傳導(dǎo)方程，第i層材料的傳熱方程的頻域表達(dá)為：

其中，D_i為第i層材料的導(dǎo)熱系數(shù)，ΔT_i(z，ω)指第i層材料內(nèi)的溫度分布變化，z表示沿介質(zhì)薄膜厚度方向的空間位置，j為虛數(shù)單位，ω為角頻率，z_i-1、z_i分別為第i層材料的前后邊界面在厚度方向上的空間坐標(biāo)，且z_o＝0，第i層材料的厚度d_i＝z_i-z_i-1；

溫度分布變化在頻域上的通解表達(dá)式為：

其中，A_i和B_i為待求的常數(shù)，f為頻率，z＝0處為激光脈沖的入射面，邊界條件在頻域上的表達(dá)為：

其中，f(t)是激光脈沖被吸收后在z＝0處產(chǎn)生的熱流密度的時間函數(shù)，f(ω)是f(t)的頻域表達(dá)式；

基于熱傳導(dǎo)模型求解得到介質(zhì)薄膜內(nèi)的溫度分布變化具體為：

將溫度分布變化在頻域上的通解代入邊界條件，得到方程組：

將方程組轉(zhuǎn)寫為矩陣方程的形式：

其中，R₁＝(1?-1)，

在矩陣方程中對于每一個固定的頻率點f_n，對上式都可解得一組唯一對應(yīng)的常系數(shù)解A_i(f_n)、B_i(f_n)，將A_i和B_i回代到溫度分布變化在頻域上的通解表達(dá)式中，得到介質(zhì)薄膜內(nèi)的溫度分布變化在頻域上的數(shù)值表達(dá)ΔT₂(z，ω)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種跨尺度固體導(dǎo)熱系數(shù)的測量方法，其特征在于，實測響應(yīng)電流譜的獲取過程如下：

通過信號測量電路采集介質(zhì)薄膜內(nèi)因熱擾動而產(chǎn)生的實測響應(yīng)電流，得到時域信號i_exp(t)；時域信號i_exp(t)經(jīng)過傅里葉變換和失真補(bǔ)償后得到實測響應(yīng)電流譜i_exp(ω)。