关键词: 激光导热仪，闪光法，面内导热，石墨，散热膜

摘要

本文详细介绍了使用闪光法导热仪表征高导热微米级石墨薄膜样品的面内热扩散系数和导热系数的相关理论和实验设计，多次重复实验表明实验数据与理论模型拟合度高，重复性优异，分辨率高。

引言

随着人们对便携式电子设备超高性能需要，系统集成度进一步提高，系统工作温度将继续升高，对热管理材料提出了更高的要求。因此，发展有效散热和降低热密度的热管理材料正在成为热点。目前热解石墨膜、石墨烯薄膜等各类新型散热膜材料正逐步得到应用，对于其导热性能的表征显得尤为重要。

闪光法是用于测量固体致密材料的热扩散系数及导热系数的最通用和有效的方法。这种瞬态响应技术具有测量时间短、高重复性和准确度的特点。闪光法使用激光或者氙灯提供的能量脉冲，均匀照射一个小尺寸片状样品的前表面。通过传感器进行高速数据采集，记录对样品后表面的时间-温度曲线。进而得到热扩散系数和导热系数。

近年来，使用闪光法测量微米级薄膜的面内热扩散系数成为材料热物性表征中的热点。TA仪器独有的Fin翅片模型能够模拟热量在薄膜中的径向导热，精确表征薄膜的面内导热性能。

实验原理和设计

本文使用氙灯导热仪DXF200（TA Instruments, USA），进行相关的实验设计和数据分析。该仪器采用固体探测器测量温度变化，无需使用液氮。采用了薄膜测试夹具以及相应的修正模型，实现了对多种薄膜材料的面内热扩散系数测量。薄膜夹具的测试原理和结构如图1所示。非常短的氙灯脉冲，均匀照射一个夹持有样品的夹具前表面，样品的外缘受热后，热量由外缘沿着薄膜向圆心传递。在夹具背面圆心处，由固体探测器探测薄膜样品中心处的温度升高信号。

Fin 模型温升信号 T(t)与横向方向的热扩散系数的关系如下：

其中

其中：是横向方向的热扩散系数， 和 是一类Bessel函数， 是方程 的正数解，是正比于热传递系数与导热系数比值。在Fin模型中，沿着薄膜样品厚度方向的温度梯度远小于沿着薄膜横向方向的温度梯度，因此在温度分布的计算中不予考虑。 通过引入一个正比于热传递系数和导热系数之比的参数, 薄膜样品表面的热损耗因此计算在内。

图1  薄膜面内热扩散系数测试原理

图2 薄膜夹具结构

图3 TA仪器DXF200实物图

结果及讨论

由东莞某公司提供的3种不同厂家的石墨膜进行了重复性测试。计算参数为密度2 g/cm3，比热0.78 J /(gK)。热扩散系数和导热系数结果如下表所示。

图4 薄膜面内夹具和样品

图5 石墨烯薄膜温升曲线

温升曲线中的上方黑色数据为原始数据，蓝色曲线为Fin理论模型拟合数据。下方为拟合残差。

由温升曲线可见，Fin翅片模型计算出的热扩散系数值，根据这个值反推的理论曲线，与实际曲线完美拟合。说明Fin翅片模型对实际径向导热的模拟度高，且具有非常高的重复性，数据可靠。对不同工艺的三种样品，具有很好的分辨率。