基于光學交流量熱法的空間域熱反射測量法SDTR的原理介紹

正文

基于光學交流量熱法的空間域熱反射測量法SDTR的原理介紹

1.光學交流量熱法

空間域熱反射測量法SDTR是一種基于交流量熱法的熱導率測量方法朦佩，可用來測量直徑0.05mm以上的薄膜或塊體樣品的面內(nèi)熱導率。測熱導率范圍為誤差約為5%语稠。

SDTR中采用經(jīng)過調(diào)制的直徑小于激光（頻率f一般為100HZ-100KHZ）加熱樣品表面，并用探測光測量樣品距離激光加熱點x處的交流溫升導致的反射率同頻變化信號。在一維導熱假設下输枯，該溫升信號可表達為

其中成為熱擴散長度占贫，K_x表示為樣品表面上x方向的熱導率桃熄，c是樣品的體積比熱容型奥，f是激光的調(diào)制頻率瞳收，h是樣品厚度螟深，Q是吸收的熱流密度。通過計算上述公式可以得到樣品表面上烫葬，距離調(diào)制熱源一定距離下的樣品表面同頻溫度的幅值衰減和相位滯后，通過測量出該相位和幅值信號即可計算出樣品的熱導率垢箕。其中測量相位滯后是通過公式：

根據(jù)相位的斜率得出進而得出熱擴散系數(shù)d_f以及樣品熱導率K_x。

示例：如圖1中展示了泵浦調(diào)頻9KHz頻率下兑巾，鍍有100mm金膜的藍寶石的實驗數(shù)據(jù)和擬合曲線和結(jié)果。

圖1：調(diào)制頻率9kHz蒋歌，100nm Au/sapphire樣品的實驗數(shù)據(jù)和擬合曲線帅掘；(a)相位信號堂油；(b)幅值信號修档。

通過對圖1(a)中相位差信號進行擬合并采用文獻中獲得的藍寶石的體積比熱值C=3.06 称诗，我們得到藍寶石沿光斑偏移方向的面內(nèi)熱導率為圖1(a)中虛線為擬合值變化所對應的擬合曲線萍悴，由此得出熱導率信號對于相位的斜率敏感度較高寓免；圖1(b)中歸一化的幅值信號進行擬合，可以得到沿著偏移方向的激光光斑尺寸為 袜香。

2. 敏感度分析

圖2展示了圖1的測量信號對系統(tǒng)中不同參數(shù)的敏感性系數(shù)。這些參數(shù)包括了傳感層和基底材料的不同方向上的熱導率K_xm蜈首、K_ym欠母、K_zm(其中角標m表示為金屬傳感曾的物理性質(zhì))和K_x、K_y吆寨、K_z，體積比熱容C_m和C六水，金屬傳感層的厚度h_m，界面熱導G辣卒，泵浦光斑樣品表面上不同方向上的激光光斑尺寸

圖2：調(diào)制頻率9kHz，100nm Au/sapphire樣品的SDTR測試結(jié)果對樣品各個熱物性的敏感度示意圖荣茫。(a)相位梯度信號對于不同參數(shù)的敏感度想帅；(b)幅值半高寬對不同參數(shù)的敏感度啡莉。

圖2中顯示：x方向的熱導率K_x、樣品體積比熱容C對的敏感度較高票罐，因此對與得到較為準確的熱導率結(jié)果叉趣，需要事先知道較為準確可靠的樣品體積比熱容C该押；x方向的光斑尺寸對幅值半高寬敏感度較高，因此可通過幅值半高寬較為準確地確定樣品表面光斑尺寸蚕礼，其中受到其他的樣品參數(shù)影響較小梢什。

當傳感層的熱導率遠高于基底材料的時候奠蹬，熱量會先在傳感層中散開嗡午，然后才向基底傳播囤躁。這樣狸演，熱量在基底中的傳播就主要是縱向方向而不是我們期待的面內(nèi)方向。這時測量的信號會對基底材料的縱向吸熱系數(shù)和傳感層的熱傳導系數(shù)k_m h_m更加敏感僻他，而對基底材料的面內(nèi)熱擴散系數(shù)即K_x/C的敏感度下降。經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)吨拗，當樣品的熱導率不低于金屬傳感層的熱導率的1/10時满哪，采用該方法測量的面內(nèi)熱導率的誤差均為5%以內(nèi)婿斥；而當樣品的熱導率降低至金屬傳感層的熱導率的二十分之一時民宿，面內(nèi)熱導率的測量誤差已經(jīng)增大到20%活鹰。因此為了測量熱導率很低的材料樣品時(如)坟桅，需要選用熱導率較低的金屬作傳感層(如金屬鈦)华望。

面內(nèi)熱導率測試系統(tǒng) AU-TRSD103 基于“泵浦-探測”原理仅乓，結(jié)合了頻域熱反射赖舟、空間域熱反射夸楣、穩(wěn)態(tài)溫升法宾抓、方脈沖熱源法的優(yōu)點豫喧，具有強大的熱物性綜合測試能力石洗，能夠測量從薄膜到塊體材料的熱導率讲衫、比熱容和界面熱阻孵班。系統(tǒng)自動化程度高涉兽，操作簡便篙程，特別利于大批量快速測量。

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相關文獻

[1] Jiang P , Wang D , Xiang Z ,et al.International Journal of Heat and Mass Transfer, 2022, 191:122849-.DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.122849.

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