[发明专利]基于蓝宝石基底的独立型3ω热物性测量装置和方法

说明书

本公开提供了一种基于蓝宝石基底的独立型3ω热物性测量装置和方法。该独立型3ω热物性测量装置包括：腔体端盖，其具有向一侧突出的中空凸台，整体呈凸字形，中空凸台的端部开设凹槽；真空腔体，固定于腔体端盖的另一侧，真空腔体的腔体壁上开设抽真空连接孔；以及蓝宝石基底探测器，设置于腔体端盖的凹槽上，包括：蓝宝石基底：以及金属探测器，形成于基底上朝向真空腔体内部的一侧，金属探测器通过其上的引线端连接至一谐波测量单元。本公开使用蓝宝石基底探测器，采用单侧测量方式，提高了测量精度和检测速率，减少了所需的待测样品量，提高了测量装置的耐用性。

技术领域

本公开涉及热物性测量技术领域，尤其涉及一种基于蓝宝石基底的独立型3ω热物性测量装置和方法。

背景技术

随着经济的迅猛发展，世界能源问题日益突出，能源短缺已经成为全球共同面对的重大问题。在当前技术水平下，开发和利用新能源尚存在一定技术困难，因此，降能降耗、高效用能的作用就显得尤为重要。作为材料最基本的性能之一，热物性是对特定热过程进行基础研究、分析计算和工程设计的关键参数，也是能源技术发展的基础，兼具有基础科学和工程应用的特点。

我国正在由制造大国向制造强国和科技强国迈进，国家对科技创新的重视程度越来越高，对新材料、新能源和高新技术的支持力度逐步加大，工业科技领域对材料热物性的测试需求也在不断增多。为获取热物性数据，研究人员在理论计算和实验测试新方法两个方面同时进行了长期的研究。理论研究方面从微观结构出发，以量子力学和统计力学为基础对宏观热物性进行探索，代表性的有预测比热行为的固体比热理论，如爱因斯坦模型和德拜模型。近年来随着科技的发展，实际材料的多样性和复杂性增加，热物性数据因物质和所处的状态不同而千差万别，至今尚未找到精确且能广泛适用的理论方程，热物性的获取仍需要依靠直接的实验测定。

在热物性测试技术的研究中，随着计算机、激光、微电子技术、光声技术等新技术在热物性测试技术中越来越广泛的应用，使测试的准确度和精度不断提高，测试功能不断扩大，试样尺寸和体积明显减小，促使热物性测试技术向高速化、自动化、多功能化发展。随着各个领域对材料热物性测试需求的增加，研究快速准确地热物性测量方法和装置对于工业水平的提高和国防事业的发展都具有重要意义。

目前研究和使用比较广泛的热物性测量方法有激光闪光法、光热反射法、热线法、保护热板法和3ω法等。其中3ω方法因其适用范围广、可测参数多等优点得到迅速发展。目前，该方法在丝状材料、纳米孔隙新型材料或涂层、激光晶体、微纳米尺度薄膜和粉体、液体的热性能表征等方面逐渐得到应用。使用传统的3ω方法对块体及薄膜材料进行测量时，首先需要在样品表面通过光刻或者气相沉积工艺制备薄金属探测器，这一过程首先要求样品表面光滑平整且尽可能连续，成本较高且无法重复使用，同时也破坏了样品表面，是一种有损测量方法。

采用聚酰亚胺薄膜作为保护层的独立型探测器研制成功，改变了以往3ω方法在测量块体等材料前需要先沉积探测器的做法，测量时只需将其固定夹持在两块相同的测试材料中间保持紧密接触，无需要求样品表面连续致密，也不受样品导电性能的影响。聚酰亚胺薄膜独立探测器简化了3ω测试方法的操作步骤，降低了测量成本，并且能够实现对材料的无损测量。同时将3ω测试方法拓展到多孔等表面非连续致密的材料，极大地促进了3ω测试方法的仪器化进程。

但是，聚酰亚胺薄膜独立探测器存在以下技术缺陷：

首先，根据热波穿透深度与测量频率的关系：f≤α/4πδ²(f为测量频率，α为热扩散率，6为热波穿透深度)，由于聚酰亚胺薄膜的热扩散率较小，测量时需要使用较低频率的信号穿过薄膜测得样品信息。频率越低锁相放大器扫描时间越长，整个测量过程因此会消耗很多时间；

其次，由于聚酰亚胺薄膜的柔性特点，使用中不可避免的会因外力作用而弯曲变形，会直接导致金属探测器变形甚至断裂而损坏，这就降低了独立探测器的使用寿命；