基于谐波法的热功能材料热导率的实验研究

随着现代科技的快速发展,小到微电子机械系统,大到航空航天领域都涉及到热管理问题。选择合适的热管理材料有效地将器件中产生的热量导出并带走对于系统的正常运行十分重要。常见的用于热管理的功能材料有：碳纳米管阵列,碳化硅晶体,功能陶瓷等。热功能材料的热物性参数表征不准确,对热管理材料的应用研究提出了很大的挑战,改进原有的测量方法及开发探索新的热物性测量方法对热功能材料热性质的研究具有十分重大的意义。 本文采用理论分析和实验相结合的方法,对热功能材料的热导率进行测量与研究。包括两方面的内容,首先将谐波法(3-omega)拓展到用于各向异性材料热导率的测量,设计新型的微型加热／探测器结构,用于同时测量各向异性样品材料三个不同方向的热导率并进行理论分析(碳化硅晶体和碳纳米管阵列)。其次是建立3-omega方法高温实验测量系统,研究高温下功能陶瓷材料热导率与温度的变化关系,并分析其导热机理。 设计了能同时获得各向异性材料三个不同方向热导率的微型加热／探测器结构,根据不同宽度微型金属加热器产生的热波对基底的加热规律,建立同时获得各向异性样品材料三个不同方向热物性的测量原理；使用蓝宝石标准样品对这种微型加热／探测器结构进行验证,所获得的蓝宝石热导率值与给定的热导率接近,误差小于5%,首次实现了各向异性材料三个不同方向热导率的同时测量。 使用能同时获得各向异性材料三个不同方向热导率的微型加热／探测器结构,测量了常温下各向异性碳化硅晶体(4H-SiC,6H-SiC)三个不同方向的热导率,理论推导出测量所需的最大频率范围,验证了本实验使用的测量范围的正确性。 改进微型加热／探测器结构。考虑到实验过程中可能出现的问题,比如四焊盘与微型金属加热器间的连接线容易断开,用改进后的微型加热／探测器分别测量了蓝宝石和热氧化的二氧化硅薄膜的热导率,与用未改进前的微型加热／探测器的测量结果进行了比较,验证了使用改进微型加热／探测器测量的正确性。 使用能同时获得各向异性材料三个不同方向热导率的改进后的微型加热／探测器结构,研究了常温下各向异性CNT阵列(平行于基底平面横向生长)三个不同方向的热导率(沿管长方向,两个管间方向),建立相应的三层数学模型并进行理论分析。 搭建了适用于3-omega方法的高温实验测量系统：由于3-omega方法常用的焊接方式不耐高温,实现几百度甚至1000℃以上材料热物性的测量十分困难。本文成功设计用于3-omega方法的高温炉结构、试样夹具结构和适用于高温下的连接结构。 利用3-omega方法的高温实验测量系统,分别获得了干压成型法A1N陶瓷和流延法A1N陶瓷在不同温度下(300K-1100K)的热导率,并与前人的研究结果进行比较,氮化铝陶瓷的热导率随着温度的升高而减小；利用3-omega方法的高温实验测量系统,研究了室温到750K范围内锗酸盐玻璃陶瓷的热物性参数与温度的变化关系,并对其导热机理进行理论分析。三个锗酸盐玻璃陶瓷样品成分相同,保温温度不同,研究发现,随着保温温度的增加,锗酸盐玻璃陶瓷的热导率增大。