| 并且具有高温高导、非接触、速度快、有标准等优点。但是由于受到加热和测试系统的限制，对于厚度比较小的薄膜，加热激光的脉冲宽度、测试系统响应滞后和吸收涂层等对热扩散率测量会产生比较大的影响。使用该方法测量导热系数时，还要求知道样品的密度与比热。此外，闪光法即不能测量透明材料也很难测量纳米微米尺度的样品，它还具有很多缺点即样品需要各相同性、样品表面严格平行、吸收激光（材料不能透明）、各方向具有热损耗等。
图2激光闪光法测量系统
1.2.2光热反射法
光热反射技术是近年来一种发展较快的非接触式无损检测技术，实验研究已经证明光热反射法可以有效地用于薄膜热导率的测量，还可以有效地测量亚微米尺度薄膜尺度垂直方向的热扩散率。2002年Araki等设计了低温下测量薄膜材料热扩散率的实验系统，该系统是在连续光反射下利用瞬态反射率变化的实验数据得到的温度响应，再利用Parke公式拟合进而获得薄膜的热扩散率。该测试方法属于间接测试，测试结果存在着误差。为了减小试样热弹性位移引起的误差，必须对入射光进行扩束并使其垂直照射到试样的表面，这就造成了试验系统较复杂，设计比较麻烦。而且实验时加热过程的温度波动及反射率与温度的关系曲线都会导致薄膜热导率的测试误差。
1.3光声法
光声法是一种典型的非接触式热物性测量方法，已经发展成为一种测量纳米厚度薄膜热导率的有效方法。图3为光声测试系统示意图，其基本原理为：激光通过调制后照射到光声腔中的试样表面，试样吸收光能后，从基态跃迁至某一激发态，处于激发态的试样，当通过无辐射退激发返回基态时，通过交换声子或其他途径，将能量传递给试样。伴随无辐射退激发现象的发生，试样表面温度发生周期性的变化。用灵敏麦克风等光声探测器可以检测出试样温度变化引起周围气体压力的变化，而试样温度的变化又依赖于试样的热物性，因此可以利用这个原理来测试材料的热物性参数。此方法不能直接测量材料的热导率而是通过测量材料的热扩散率导出热导率，这样就会导致测量结果的误差，此外测试时间较长，测试系统比较复杂。
图3光声法测试系统示意图
1.43ω法
Lee和Cahill提出的3ω法是一种基于谐波探测技术的接触式热物性测量方法，实验研究已经证明该方法可以有效的用于微纳米尺度材料的热物性的测量。图4为3ω法加热器和试样的剖面图，传统的3ω技术是一种与热线法和热带法紧密相关的热导率测量技术，它是在待测材料表面采用紫外曝光工艺或磁控溅射工艺制备约几微米宽、几百纳米厚的微型金属膜，该金属膜同时作为加热器和温度传感器，并采用交流加热，根据热波频率与温度波动的关系求得待测试样的热导率。利用3ω法可以比较容易地同时实现薄膜面向和法向热导率的测量。目前该方法在碳纳米管等丝状材料、纳米孔隙新型材料或涂层、微/纳米尺度薄膜和液体的热性能等方面得到了应用。
图4加热器和试样的剖面图
然而在传统的3ω法系统中加热膜一旦沉积在试样表面后该表面就不能重复使用，同时该加热膜也不能再用于其它材料的测量，从而造成了材料的浪费。而且，传统的3ω法的加热膜要求具有一定的形状和尺寸，限制了沿材料面向的空间分辨率，不能进行多点测试。其待测试样必须为非导电固体，若是导电固体要在其表面先沉积一层绝缘薄膜，而在待测样品表面沉积绝缘层的工艺很难实施，且绝缘层的局部位置可能会发生导通。直接的后果就是金属探测器不能显示出自身真实的电阻值，最终将导致测量的热导率值不可靠。此外，加热器与试样间存在着接触热阻，接触热阻是实验误差的主要来源。
2.讨论与展望
上述方法中除了3ω法以外都属于非接触式测量法，通过直接测量热扩散率导出热导率，其测量结果的准确度与热容的不确定度有关。此外这些方法在测量基体表面薄膜参数时具有很大的限制。目前的3ω技术由于其相对精确，探测器可以做得极微小，可以拓展到各种系统的热物性测量，因此成为一种广受欢迎的测试技术。但是这种技术还存在一些内在的缺点，如需要重复制作四焊盘金属探测器并且四焊盘金属探测器极易损坏，限制了3ω技术在实际中的应用。为了使3ω法得到广泛的应用特别是在微观尺度传热领域的应用，有必要对3ω法的测量原理做进一步修正。将独立探头与扫描热显微（SThM)技术相结合，研制出3ω-SThM（测试系统见图5）热显微测试系统，可以用来测量纳米镀层热物性等有关参数。
图53ω-SThM热显微测试系统
根据目前3ω的发展现状，我们可以采用交流热扫描热显微镜技术把2ω和3ω信号测量相结合，其测量时间短、精度高非常适合纳米镀层电导率和热导率的测量。随着热交换器非晶防垢镀层厚度的不断微型化，迫切需要研究具有高空间分辨率的热参数显微测试系统。若用活动探头代替传统的3ω测试系统中沉积在被测物体表面的加热膜，同时用作加热器和测温器，微型探头与材料表面的最小接触半径可达到30-50nm，可以表征表面不同位置热参数的差异。 2/3 首页 上一页 1 2 3 下一页 尾页 |
