[发明专利]用于各向异性材料导热系数和热扩散率的测定方法

权利要求书

1.一种用于各向异性材料导热系数和热扩散率测定的方法，用于碳纳米管阵列、薄膜和晶体等各向异性材料的导热系数和热扩散率的测量，其特征在于：利用在各向异性样品的表面沉积方向不同的微型金属探测器，采用交流电对微型金属探测器加热，通过改变交流加热频率控制热波作用深度，利用锁相放大技术快速而准确的测试微型金属探测器因交流加热作用产生的三次谐波和基波，从而获得被测材料不同方向的导热系数及热扩散率；包括步骤：

(1)将三个不同宽度的微型金属探测器一个沿x方向布置，另两个沿y方向布置，采用紫外曝光和化学气相沉积成形工艺固定在各向异性样品试样表面；

(2)把各向异性样品放置于恒温真空腔内，将恒温真空腔抽真空，启动温度调节系统，使恒温真空腔内达到所需测量的温度；

(3)将任一个微型金属探测器的四个引线连接谐波测量单元，通过信号发生器输入10mv的微弱电压信号，选择合适的频率，调平电桥，测试此温度下微型金属探测器的电阻值；

(4)给所选微型金属探测器通入不同频率的正弦交流电流，测试不同频率下微型金属探测器两端的三次谐波和基波电压；

(5)启动温度调节系统使恒温真空腔内达到另一个温度，测量并记录该温度下的所选金属探测器的电阻值；

(6)重复上述步骤(5)，直至记录下的电阻值与相应的温度值达到十五组及以上，标定所选微型金属探测器的电阻温度系数；

(7)根据谐波法测试原理拟合所选微型金属探测器测量的各向异性材料某个导热系数和热扩散率；

(8)重复步骤(3)～(7)，分别将另外两个微型金属探测器的四个引线连接谐波测量单元，根据谐波法测试原理拟合由另外两个微型金属探测器所测得的与各向异性样品相应方向有关的导热系数和热扩散率；

(9)根据(7)、(8)步的测量得到的结果、谐波法测试原理和各向异性材料的导热机理求出各向异性样品x、y和z方向的导热系数和热扩散率；

(10)上述步骤适用的压力范围为：常压～10MPa。

2.根据权利要求1所述的用于各向异性材料导热系数和热扩散率测定的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，若被测各向异性样品是导体或半导体，则在微型金属探测器表面镀一层绝缘层膜，若被测各向异性样品是绝缘体，则无需在微型金属探测器表面镀绝缘层膜；

微型金属探测器表面沉积绝缘层的厚度为20～550nm，由样品表面粗糙度决定；绝缘层的厚度小于600nm时，忽略绝缘层自身的温度变化。

3.根据权利要求1所述的用于各向异性材料导热系数和热扩散率测定的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所需测量的温度范围为：-20K～2000K。

4.根据权利要求1所述的用于各向异性材料导热系数和热扩散率测定的方法，其特征在于：所述对微型金属探测器通入正弦交流电流，通入角频率为1ω的正弦交流电流，因焦耳效应产生2ω热波对样品进行加热，探测器探测到的由1ω和2ω合成的3ω谐波信号，包含各向异性材料的导热系数和热扩散率的丰富信息。

5.根据权利要求1所述的用于各向异性材料导热系数和热扩散率测定的方法，其特征在于，所述三个不同宽度的微型金属探测器，为一宽二窄，宽的微型金属探测器测量的导热系数或热扩散率是各向异性样品z方向的导热系数或热扩散率；一窄的微型金属探测器测量的导热系数或热扩散率为各向异性样品y方向和z方向的导热系数或热扩散率的合成；另一窄的微型金属探测器测量的导热系数或热扩散率为各向异性样品x方向和z方向的导热系数和热扩散率的合成；根据谐波法测试原理、实验数据处理和各向异性样品的导热机理，可求得各向异性材料x方向，y方向和z方向的导热系数和热扩散率。

6.根据权利要求5所述的用于各向异性材料导热系数和热扩散率测定的方法，其特征在于，所述的宽微型金属探测器的宽度在40μm～200μm范围内，窄微型金属探测器的宽度在2μm～20μm范围内，厚度在50nm～200nm范围内；单个微型金属探测器的长度大于2mm；可测量的各向异性样品的厚度大于50nm，长宽均大于2cm，以便于布置下微型金属探测器；在低频下直接测量由于热波穿透各向异性样品引起的微型金属探测器温度的变化，不必考虑微型金属探测器自身热容的影响。

7.根据权利要求1所述的用于各向异性材料导热系数和热扩散率测定的方法，其特征在于，所述微型金属探测器的四个引线，有两个是电压引线，两个是电流引线。