[发明专利]一种测量热导率的方法及设备

说明书

本发明提供了一种测量热导率的方法，包括：S1)将待测样品放置于参考材料的一端，待测样品的初始温度为T₀；S2)加热待测样品不与参考材料接触的一端，加热的温度为T_f；S3)监测待测样品与参考材料相接触位置温度的变化，记录从某一温度T₁增加到另一温度T₂(T₀≤T₁＜T₂≤T_f)所需的时间为Δt；根据Δt、待测样品的厚度、参考材料的热扩散率及参考材料的热导率得到待测样品的热导率。与现有技术相比，本发明利用已知性质的参考材料量化温度场的增加速率，以还原待测样品的热性质，因此本发明可用于测量具有小尺寸(毫米及亚毫米级)的待测样品，还可用以测量未知其他性质如密度和热容量的待测样品的热导率，且制备测量方法简单，待测样品无需经特殊处理，成本较低。

本申请要求于2017年12月12日提交美国专利局、申请号为62/597451、发明名称为“Method and Device to Measure Thermal Conductivity of Materials with LimitedSize”的美国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明属于测量技术领域，尤其涉及一种测量小体积(毫米及亚毫米)材料热导率的方法及设备。

背景技术

热导率是材料重要的物理性质之一，目前已经开发了多种技术用来测量材料的热导率，例如稳态法、3ω法、光声光热法、扫描热显微镜法和调制与时间分辨的热反射技术、瞬态热带法、显微拉曼光谱等。然而，这些方法具有各种各样的局限性，例如，稳态法和3ω法两者均需要在测量的样品上沉积金属层，这可能会影响样品的测量的性质；光声光热法需要在数据分析方面投入大量工作量；热显微镜法使用探针作为关键部件，探针的制造非常复杂且昂贵；瞬态热带技术虽然提供了用于测量固体、液体和气体的热导率的有效途径，然而，常规的瞬态热带实验需要在范围从10毫秒至几秒的时间窗内的大样本，并不适合小样品；而显微拉曼测量方法实验要求高且昂贵。

由此可见，本领域需要具有一种易于实现并且使得能够测量具有小尺寸样品(毫米及亚毫米级)的热导率的技术。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种测量热导率的设备及方法，该设备可用来测量小体积样品(毫米及亚毫米)的热导率。

本发明提供了一种测量热导率的方法，其特征在于，包括：

S1)将待测样品放置于参考材料的一端，所述待测样品的初始温度为T₀；

S2)加热待测样品不与参考材料接触的一端，加热的温度为T_f；

S3)监测待测样品与参考材料相接触位置温度的变化，记录从温度T₁增加到另一温度T₂所需的时间Δt，T₀≤T₁＜T₂≤T_f；根据Δt、待测样品的厚度、参考材料的热扩散率和热导率反求待测样品的热导率。

优选的，所述参考材料选自铜或金。

优选的，所述步骤S3)中通过归一化的式(I)，得到待测样品和参考材料中的瞬态温度场：

其中，式(I)中归一化方案为k_s为待测样品的热导率，k_R为参考材料的热导率，α_s为待测样品的热扩散率，α_R为参考材料的热扩散率，d为待测样品的厚度，x为以待测样品与参考材料界面处为参考点的位置坐标，t为从步骤S2加热时算起的时间。