[發明專利]一種跨尺度固體導熱系數的測量方法及裝置

有效

• 申請號: 202210105834.3
• 申請日: 2022-01-28
• 公開（公告）號: CN114460131B
• 公開（公告）日: 2023-08-29
• 發明（設計）人: 鄭飛虎;黃陳昱;陳師杰;魏倩
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 蔡彭君

本發明涉及一種跨尺度固體導熱系數的測量方法及裝置，介質薄膜雙面金屬化處理得到介質探測器，固體樣品通過熱界面材料與介質探測器熱耦合貼緊；采集介質探測器?熱界面材料?固體樣品內因熱擾動產生的實測響應電流；建立熱傳導模型，調整熱傳導模型中固體樣品導熱系數和熱界面材料厚度，求解得到介質薄膜內的溫度分布變化；根據介質薄膜的溫度分布變化，計算得到相應的仿真響應電流；將仿真響應電流譜與實測響應電流譜進行對比擬合，當二者的擬合度最佳時將仿真模型中設置的固體樣品導熱系數作為測量結果。與現有技術相比，本發明將介質探測器前置用于接收激光脈沖，能夠對各種材質、厚度的固體樣品進行導熱系數測量，適用范圍廣。

技術領域

本發明涉及材料的熱物性測量技術領域，尤其是涉及一種跨尺度固體導熱系數的測量方法及裝置。

背景技術

在熱物性學的研究中，熱物性測試方法和技術的研究具有特別重要的意義。因為它是獲得熱物性數據和進行熱物性研究的基本手段。材料的導熱系數是與材料熱擴散系數、比熱容、質量密度相關的一個具有代表性的熱物性參數，是高新技術中一種具有實際應用價值的重要物理性質。在一些情況下，導熱系數決定了混合熱釋電陣列的響應和熱光調制器的速度；在聚合物的電子封裝應用中，材料的導熱性是材料通過熱緩沖散熱的速率決定因子。

以對三維固體材料導熱系數的測試為例，從它兩大類的測試——穩態法和非穩態法，目前已派生出數十種不同特點的測試方法。在熱測試技術的研究中，隨著計算機、紅外(包括熱像儀)、激光、微電子技術、光聲技術等新技術的發展，固體材料導熱系數測試的準確度和精度不斷提高，測試功能不斷擴大，試樣尺寸和體積明顯減小，促使熱測試技術向高速化、自動化、多功能化發展。

公開號為CN112415046A的中國發明專利公開了一種基于介質探測器的薄膜縱向熱擴散系數測量系統和方法，將一個參數已知的后置介質探測器與被測薄膜貼合，外接直流電壓在后置的介質探測器內形成均勻電場；對被測薄膜施加熱擾動，熱擾動先經過被測薄膜和介質探測器與薄膜之間的界面后，再傳入介質探測器形成熱擾動，采集因熱擾動而產生的實測響應電流信號，采用數值計算方法計算被測薄膜-介質探測器雙層結構產生的理論響應電流信號，通過擬合的方法來測定薄膜熱擴散系數。

專利CN112415046A的薄膜熱擴散系數測量方法中，采用介質薄膜作為探測器后置于被測樣品背面，熱脈沖先經過被測樣品衰減與色散后，再進入介質探測器。當介質探測器感應到熱擾動后產生熱響應電流，根據電流的時域特征就能確定被測樣品的熱擴散系數。但是該方法測量時存在以下局限：在實際測量時，受熱脈沖能量及能量吸收率的限制，當被測樣品過厚時，被測樣品對熱脈沖的衰減超過一個極限值，在介質探測器上會因熱擾動過小而無法感應出響應電流，因此該方法僅限于薄膜材料的測定，測量對象相對單一。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種跨尺度固體導熱系數的測量方法及裝置。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種跨尺度固體導熱系數的測量方法，包括以下步驟：

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

施加激光脈沖作用于介質探測器的另一個自由面，在介質探測器兩側施加直流電壓，在介質薄膜內產生均勻分布的電場，通過信號測量電路采集介質薄膜內因熱擾動而產生的實測響應電流；

根據介質探測器-熱界面材料-固體樣品的結構建立熱傳導模型，所述熱傳導模型用于計算介質薄膜內的溫度分布變化；