[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

说明书

技术领域

本发明涉及测量技术领域，是一种利用谐波探测技术测量各向异性材料的导热系数和热扩散率的方法，特别是应用于碳纳米管阵列、薄膜和晶体等材料热物性参数测试的方法。

背景技术

各向异性材料的导热系数和热扩散率与取向密切相关，不同取向的测量结果迥异。晶体中沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在不同方向的导热系数和热扩散率也不同。薄膜的厚度可达纳米量级，长(宽)厚比很大，具有很强的各向异性，薄膜和多层薄膜结构的导热系数的准确测量对于它们在微电子学、光子学和微电子机械系统中的广泛应用有很重要的作用。碳纳米管阵列，具有良好的力学性能、高导热率等优点，可作为性能良好的热界面材料，降低接触面热阻从而增加接触面导热能力，在微电子器件冷却方面具有重要的应用价值。碳纳米管的直径较小，一般在纳米量级，而长度一般在微米量级，甚至可达几个毫米，即有很大的长径比，排列整齐的碳纳米管形成的阵列具有很强的各向异性特性。因为各向异性材料的热物性与取向密切相关，要准确测量其值变得非常困难。

目前，热物性测量常用的方法有闪光法，激光反射法和平板热源法。闪光法和激光反射法均不能对透明材料进行测量。闪光法要求样品直径在1cm左右，厚度在4mm左右，对于纳米微米尺度的样品很难测量。平板热源法需要的样品也很大。若使用以上三种方法测量各向异性材料三个方向上的热物性，则需测量同样属性的三个不同的样品。

发明内容

本发明的目的是解决目前各向异性材料的导热系数和热扩散率描述困难等的技术缺陷，提供一种将谐波探测技术用于各向异性材料导热系数和热扩散率的测定方法。此方法利用沉积在各向异性材料表面的方向及宽度不同的微型金属探测器，同时用作测温器，每个探测器的温度波动包含了试样内部不同方向的导热作用，通过改变交流加热频率控制热波作用深度，可用于碳纳米管阵列、薄膜和晶体等各向异性材料各个方向的导热系数和热扩散率的测量。

为达成所述目的，本发明的技术解决方案是：

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，其利用在各向异性材料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材料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材料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。

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。