3ω法测量单根碳纤维导热系数和热容

考虑环境热损失,建立了单根碳纤维沿轴向的导热方程,得到了碳纤维热参数与交流加热信号的频域特性之间的关系。建立了适用于微细导电线或丝的3ω测试系统。利用3ω方法同时测量了单根碳纤维沿轴向的导热系数和热容。在室温下测量了Pt丝的导热系数和热容,验证了建立的实验系统的合理性,利用该方法测量的直径为7μm单根碳纤维沿轴向的导热系数和热容分别为84．35 W·m^(-1)·K^(-1)和1．19 MJ·m^(-3)·K^(-1)。给出了实验测量的不确定度分析。建立的实验系统可用于单根碳纳米管或导电纳米线热参数的表征。

3ω法测量纳米流体热导率

设计加工了可用于3ω法测量导电流体热导率的实验装置,推导了衬底/绝缘层/流体系统中加热器温度振荡量的表达式,进而研究了绝缘层对流体热导率测量结果的影响。结果表明,当加热器宽度远小于热渗透厚度时,加热器温度振荡量的实部随对数频率增加而线性减小,通过拟合对应的斜率可得流体和衬底材料的热导率之和;当绝缘层热无限薄时,绝缘层对流体热导率测量结果的影响可以忽略;纳米流体有效热导率随多壁碳纳米管浓度的变化关系与Hamilton-Crosser模型的理论预测结果吻合较好。

用改良3ω方法测量聚合物的热导率

本文设计了用于测量高分子聚合物热导率的改良3ω方法。采用热压的方法将作为加热源和温度传感器的白金(Pt)丝压入待测材料中,利用基于LabVIEW设计的虚拟数字锁相放大技术采集热线两端的3ω电压信号。分析了系统中直流变阻箱感抗对测量结果的影响,在此基础上设计了不加变阻箱的测试系统,简化系统的同时提高了系统在高频下的适用性。最后,利用改进前后的系统在室温下测量了五种高分子聚合物的热导率,测试结果与参考文献值吻合较好,验证了两套系统的可行性。

用3ω法测量非线性KTP晶体各向异性导热系数

非线性KTP(KTiOPO4)晶体的各向异性导热性能对于部分消除热应力以改善倍频效果具有重要作用。建立了3ω法测试系统,介绍了其测量各向异性材料的原理。测试了SiO2薄膜/Si衬底试样的导热系数,验证了该实验方法及系统的合理性。应用此方法测试得到KTP晶体沿径向和倍频方向(轴向)的导热系数,得到其不均匀度为0.737。结果验证了KTP晶体导热系数的各向异性。设计的实验系统可以有效测量各向异性晶体的导热性能。

3ω法测量钛酸钡薄膜的热导率

电子设备小型化带来的热效应问题,使得提高薄膜材料热导率和降低薄膜与基底的界面热阻成为提高薄膜器件可靠性的关键因素,因此测量薄膜器件热性能成为了电子工业中愈发重要的课题。钙钛矿结构的钛酸钡作为一种高介电常数材料,在电子工业中被广泛使用。通过建立一套3ω法测试系统,测试了使用高分子辅助沉积法在SiO_2薄膜上沉积的钛酸钡薄膜样品的热导率,并通过不同厚度薄膜热阻与热导率的关系,计算出钛酸钡薄膜的热导率为5.63 W/mK,钛酸钡与SiO_2的界面热阻为2.13×10^(-8)m^2W/K。

3ω方法测量微纳米材料热物性研究进展

综述了3ω方法的基本原理、测试系统、测量方法、最新应用以及发展趋势。在此基础上讨论了3ω方法在一些典型微纳米材料热物性测量的应用,着重介绍了其在薄膜材料、一维材料以及液体和纳米流体的测试方法,3ω方法在这些材料的测量上原理基本相同,但测试系统各有特点。

低温下用3ω法测量热导率的研究

3ω法是测量体材料和薄膜材料热导率的主要方法之一。低温真空条件下测量热物性往往受接触热阻以及加热器自热效应的影响比较大。文中针对低温下体材料热导率的测量,通过总结国内外近年来用3ω法测量热导率的主要研究成果,对如何选择合适的加热频率以减小这两方面所带来的影响做了一些研究,并指出了低温下用3ω法测量体材料热导率的进一步研究工作。

陶瓷热障涂层的热导率和热扩散率测量

提出了应用3ω法进行等离子喷涂热障涂层材料的热导率和热扩散率测量的方法。测试了室温下2种典型的热障涂层材料Y2SiO5和La2Zr2O7的热导率和热扩散率,测试结果与文献中的结果吻合良好。实验中对不同孔隙率的样品的热导率在室温附近的温度区间内进行测试,结果表明,孔隙率的变化对热导率有明显的影响。另外,孔隙率对热扩散率有双向的影响,即存在某一孔隙率值使得涂层样品的热扩散率最大。

氮化硅纳米薄膜非平衡热导率实验研究

3ω实验方法是一种可以对薄膜热导率进行瞬时测量的方法。根据3ω方法测试原理,搭建了薄膜导热系数测试平台,并且分别测试低频率段和高频段薄膜与基底的温升以及薄膜热导率。测试结果表明:Si3N4薄膜的热导率随温度的升高而增大;高频段下,热导率受频率影响大,误差大;在低频段下薄膜热导率与频率变化基本无关;基于电子与声子的局部热平衡运输方程假设,S i3N4薄膜的热导率具有极度非平衡性;通过比较电阻、热导率与温度的关系可以看出加热器的尺寸大小会影响薄膜的热导率,最佳加热器的宽度选用20μm左右。

多层纳米薄膜结构热物性重构

基于谐波探测技术测量材料导热系数和热扩散系数的基本原理,给出3ω法用于多层纳米薄膜结构热物性实验表征的方法.考虑了层间接触热阻的作用,在频域内定义了热阻抗的概念。理论分析了各层纳米薄膜的导热系数、热扩散系数等热参数对加热膜温度波动影响的敏感性。将敏感系数与实验数据处理相结合,利用三次谐波的实部和虚部分量测量了ZrO_2/SiO_2增透膜多层膜结构中各层的导热系数和热扩散系数。该方法可用来有效表征其他微纳米结构的热性能。

3ω方法测量各向异性SiC晶体的导热系数

碳化硅晶体具有很高的导热系数,能够在高温下操作,作为有希望用于微电子机械系统的材料,引起了人们的广泛关注。本文使用3ω方法测量了各向异性材料碳化硅晶体三个不同方向的导热系数。在碳化硅晶体样品的表面布置三个位置不同,一定尺度和形状的微型Au金属探测器。每个微型Au金属探测器的温度波动情况包含样品不同方向的热信号。根据谐波法测量原理和各向异性材料碳化硅晶体的导热特性,可得到碳化硅晶体样品x,y和z方向的导热系数。使用所设计的微型金属探测器结构,首次可同时获得各向异性材料三个方向的导热系数。

3ω方法及其在纳米材料器件表征中的应用

阐明了 3ω方法的机理 ,并在此基础上讨论了它的一些基本应用 .利用 3ω方法可以对具有优良导热和导电能力的材料的热导率和热容进行测量 ;对不能导电的材料 ,固态的或液态的 ,利用 3ω方法能对它们的热导率进行测量 .对测量中涉及到的热辐射问题的讨论表明 ,由于使用的是小样品 ,热辐射造成的影响可以忽视 .通过理论推导 ,使用二维隧穿结点阵并借助 3ω方法 。

3ω法加热/测温膜中温度波解析及其在微/纳米薄膜导热系数测量中的应用

给出了3ω法测试系统中描述薄膜表面加热/测温膜中温度波动的级数形式解,并将复数温度波动的实部和虚部分开表示.利用该解分析了交流加热频率、加热膜宽度和材料热物性的组合参数对加热膜温度波动幅度的影响.并根据此解对测量原理的数学模型进行了修正,建立了相应的3ω测试系统,首先测定了厚度为500nmSiO2薄膜的导热系数,验证了实验系统的合理性.加大了测试频率,利用级数模型在高频段直接得到SiO2薄膜的导热系数,结合低频段的数据同时确定了Si基体的导热系数.利用级数解分析测试了激光晶体Nd:YAG〈111〉面上多层ZrO2/SiO2增透膜的导热系数,测试的ZrO2薄膜的导热系数比体材料小.进行了不确定度分析.结果表明,提出的分析方法可以有效研究微器件表面薄膜结构的导热性能.

Al/GaN/Al_2O_3微纳米多层结构界面热阻实验重构

通过GaN基微纳米器件中纳米尺度界面的热输运成为微系统热管理和热设计的热点和难点,而通过GaN/Al_2 O_3之间界面热阻尚未测试。首先采用双波长TDTR方法测量了Al膜与GaN薄膜之间的界面热阻,然后借助热阻抗网络和参数敏感性分析,利用宽频3ω法对Al/GaN/Al_2 O_3多层薄膜结构内部界面热阻进行实验重构。两种方法测量的GaN/Al_2 O_3之间界面热阻量级相同,相互验证了测试结果的合理性。两种方法结合可实现微纳米多层结构多个热物性参数的精细描述。

频率-电流扫描3ω法表征纳米薄膜界面热阻

纳米薄膜与基体之间的界面热输运是MEMS系统热管理和热设计的热点和难点。建立了频率扫描3ω法的热阻抗网络模型。利用频率-电流扫描3ω法和不同厚度薄膜试样得到单层纳米薄膜与基体之间的界面热阻。ZrO_2、SiO_2增透膜与基体之间的界面热阻分别为0.108 m^2·K·MW^(-1)和0.066 m^2·K·MW^(-1)。发现界面热阻与扫描频率无关,未发现界面热阻随膜厚变化的尺度效应。实验和理论分析表明,声子近界面效应在增透膜和基体界面的热输运过程中起主导作用。

3ω微型探测器用于固体材料热导率的测量

传统3ω非对称模型的研究应用仅限于液体材料的热物性测量,本文应用3ω非对称模型基本原理开发了新型微型探测器。讨论了基于该方法测量液体与固体的精度问题,并分析了探测器金属带宽度、谐波信号频率范围、不同接触介质等对测量结果的影响。通过开展探测器结构参数与应用过程的优化,本文拓展了传统3ω非对称模型法,使之能够测量普通固体材料热导率。测量过程兼备结果准确(6%)、周期短、样品体积小、可重复多次使用等优点。

反问题方法在3ω法测量薄膜热导率中的应用

数值计算证明, 3ω方法结合有限元方法与反问题方法,能够同时确定基底材料与薄膜的相关热物性.基底上薄膜的热导率可以获得很高的测量精度,而且几乎不受测量截止频率的影响;热扩散率的测量精度则相对较低,但随着测量截止频率增加,其测量精度会得到改善.使用上述方法得到了硅基底上二氧化硅薄膜的热导率.得到硅基底的热导率为142.1 W/(m K),相对误差约为2%,二氧化硅薄膜的热导率为1.01 W/(m K),相对误差约为2%,与公认的测量值相符.

采用3ω法测量多壁纳米碳管悬浮液的导热系数

为了减小瞬态热线法测量纳米流体导热系数时易受电磁干扰和自然对流等因素的影响,更好地探究新型换热工质的强化传热机理,研制了3ω法实验台,采用锁相放大器测得交流加热铂丝的3倍频电压响应,拟合算出待测液体的导热系数。先通过对常规液体蒸馏水、乙二醇以及酒精溶液的测量,验证了实验台的精度和可靠性。然后采用两步法合成了稳定性较高的多壁纳米碳管悬浮液,测得其各体积分数和各温度下的导热系数。实验结果表明,3ω法具有较好的电磁兼容性,测量时温升不超过0.5K,可以有效地减小对流传热和辐射传热的影响,且可以通过1ω电压来判断纳米流体的稳定性;纳米碳管悬浮液的导热系数比基液和Ham ilton-Crosser预测值明显提高,并且分别随纳米碳管含量的增加和温度升高而加大。

单根单壁碳纳米管导热系数随长度变化尺度效应的实验和理论

考虑纳米碳管与基体之间的热损失,采用四焊盘-3ω法测量了室温下基体表面不同长度单根单壁碳纳米管（SWNT）的导热系数.SWNT的导热系数在测试长度范围（0·5—7μm）内随长度的增大而增大,增加的幅度逐渐减小.考虑二阶3-声子过程的影响,采用改进的WV模型预测了SWNT导热系数随长度的变化规律.理论预测的声子平均自由程-175nm.导热系数的测量结果与室温下不同长度SWNT的实验结果相吻合.理论预测结果与实验结果均说明SWNT导热系数随长度变化具有尺度效应.

相变微胶囊的热导率测量

提出应用3ω谐波探测技术进行脲醛树脂-石蜡相变微胶囊的等效热导率测量方法。测试了跨越相变温度区间的微胶囊等效热导率,分析了等效热导率随温度的变化关系。在其相变温度区间内,热导率存在极大值,该极值点对应的温度与其相变温度峰值一致。同样温度下,降温时的等效热导率略小于升温,这主要是由降温时相变材料的过冷引起。