[发明专利]一种原位测量应力作用下材料面外热导率的装置及方法

说明书

本发明公开了一种原位测量应力作用下材料面外热导率的装置及方法，所述装置包括时域热反射测量系统和拉伸样品台，偏振分束器一将飞秒脉冲激光器发射的激光分成泵浦光和探测光，泵浦光经过延迟位移台、光反射镜，探测光经过光学分束器，在偏振分束器二处合束，并聚焦在拉伸样品台上。所述方法包括以下步骤：在样品表面镀膜；样品固定在拉伸样品台上；使泵浦光的入射和出射方向平行；打开飞秒脉冲激光器，调节使光探测器接收的信号最大；进行一次测量，将信号发送给锁相放大器；结果与传热模型拟合，获得热导率数值；调节样品达到下一个应变状态；重复步骤5～7，直至测量结束。本发明能够实现对同一样品在不同应变情况下热导率演变规律的原位表征。

技术领域

本发明涉及柔性材料检测领域，具体为一种原位测量应力作用下材料面外热导率的装置及方法。

背景技术

材料的热学性质作为材料的一项基本属性，在材料研究与应用中具有十分重要的科学意义。在不同的情况下，人们对材料热学性质的要求是截然不同的。例如，要解决电子芯片的散热问题，材料往往需要具有高导热率；而在热电材料、隔热材料的应用领域，则需要材料具有尽可能低的热导率。

为了更好地为材料研究服务，需要对材料热导率进行精确的表征。常见的热导率测量方法主要有稳态法和瞬态法两种。其中，稳态法对样品尺寸有严格要求，测量过程需要样品达到热平衡状态，因此测量需要较长的周期。为了克服稳态法的不足，瞬态法逐渐(如激光闪射法、时域热反射法等)应运而生。瞬态法(如激光闪射法、时域热反射法等)利用脉冲激光对样品进行瞬态激励，通过记录样品达到热平衡状态的过程，基于一定的传热模型可以对样品的热导率进行拟合，大大缩短了测量周期。

同时，由于材料的热导率具有随温度、应力等参数变化的特点，在不同环境下对材料热导率的表征也成为了一个很有意义的问题。常见的有机物材料，由于其本身具有柔性，因此其热导率往往随着内部应力的变化而改变。对这类材料的精确表征，不仅有利于材料科学的研究，更有利于柔性电子学等新兴学科的发展。然而，市面上却没有满足这类样品测量需求的仪器设备。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种基于拉伸样品台与时域热反射的原位测量应力作用下材料面外热导率的装置，本发明的另一目的是提供一种操作简单、大大扩展现有热导率表征方法的测量范围的原位测量应力作用下材料面外热导率的方法。

技术方案：本发明所述的一种原位测量应力作用下材料面外热导率的装置，包括时域热反射测量系统和拉伸样品台，时域热反射测量系统包括飞秒脉冲激光器、偏振分束器一、延迟位移台、光反射镜、聚焦透镜、偏振分束器二、光学分束器和光探测器，偏振分束器一将飞秒脉冲激光器发射的激光分成偏振方向相互垂直的泵浦光和探测光，泵浦光依次经过延迟位移台、光反射镜，探测光经过光学分束器在偏振分束器二处与泵浦光合束，并经过聚焦透镜聚焦在拉伸样品台上，拉伸样品台反射的激光被光电探测器接收，光电探测器与锁相放大器相连。

飞秒脉冲激光器波长范围为700～800nm，重复频率为80MHz，输出平均功率为3W。

泵浦光经过延迟位移台，延迟位移台能够实现泵浦光与探测光之间达到0～4000ps的时间延迟。

锁相放大器将获得的同相信号(V_in)、反向信号(V_out)，通过相位信息(-v_in/V_out)与与传热模型拟合，获得柔性材料的热导率。

拉伸样品台包括螺旋杆一、螺旋杆二、位移台一、位移台二，螺旋杆一控制位移台一一维运动，螺旋杆二控制位移台二一维运动。通过设置位移台一、位移台二间的初始间距，即可计算得到相对的位移与应变关系。测量过程中分别对两段的位移台进行控制，即可对样品施加相应的应变。

锁相放大器与电脑相连。

上述原位测量应力作用下材料面外热导率的方法，包括以下步骤：