1、测量一维微纳米材料热导率和接触热阻的新方法 目录研究背景实验系统拉曼散射简介实验方法实验结果结论一 研究背景微纳米材料在高速传感器、高效热电转换器和光电微纳米材料在高速传感器、高效热电转换器和光电转换器等方面有着广泛的应用；转换器等方面有着广泛的应用；微纳米材料的热学性质与其对应体材料的热学性质微纳米材料的热学性质与其对应体材料的热学性质有较大差异；有较大差异；传统方法难以对微纳米材料热物性进行有效测试。传统方法难以对微纳米材料热物性进行有效测试。二 实验系统实验系统主要包括：T64000拉曼光谱仪、变温平台（Linkam THMS600）、精密电源(Advantest R6243)、高精度数
2、字万用表(Keitheley 2019,8.5 digits)。E0E1h h 激发虚态发生发生瑞利散射瑞利散射h h(+)h(-)E1E0发生发生拉曼散射拉曼散射振动能级振动能级三 拉曼散射简介激发虚态振动能级振动能级四 实验方法4.1 已有方法已有方法 目前结合拉曼光谱对微纳米材料热物性进行测试的主要方法是：对样品通电加热使其产生较大温升，采用较弱的拉曼激光扫描样品，得到样品温度分布和热物性。该方法缺点：忽略激光加热对测试的影响；样品温升较大，难以得到特定温度下的热物性；激光功率较小，拉曼信号弱，影响测试结果精度。光斑左侧温度分布：光斑左侧温度分布：样品端点温度：样品端点温度：2/22/2
3、4LttTTLTxxTL 光斑右侧温度分布：光斑右侧温度分布：/2222324tLtTTLTLxxLTL02ctIUPRTT4.2 本文的方法本文的方法 考虑激光加热且不需已知样品对激光吸收量条件下，同时测量微纳米材料热导率（TC）及其与基底间接触热阻(TCR)。4.2.1 改变通电率改变通电率 在真空中，将拉曼光谱激光光斑聚焦在通电加热的样品中点，改变一次通电功率，消去激光加热量，建立含TC和TCR的方程。IUAL内热源：内热源：能量守恒：能量守恒：/204|2Ltaxx LaTTPIUdTdTLAAPIUdxdxLA 改变通电率：改变通电率：若若忽略忽略RC：1122/2,1/2,28LL
4、L IUI UA TT 需要建立另一个包含TC和TCR且与已得到方程相互独立的方程。/2,1,11111122/2,1/2,22211/2,2,2222428/242LtaLLLtcaTTPIULIUI ULLAA TTI UIUTTPI ULLRA4.2.2 改变光斑位置改变光斑位置,1,211nncncPTRRRR 激光光斑同时起加热和测温作用，不对样品通电时，改变一次光斑位置建立含TC和TCR且不含吸收激光功率的方程。激光加热量由导热传递到基底：激光加热量由导热传递到基底：改变一次测点位置，保持改变一次测点位置，保持P不变不变：11,11,22,12,21,11,21112222222,
5、12,221111011ccccccPTRRRRL LL LTTTLTTATAAPRTRRRRR 4.2.3 TC和和TCR的表达式的表达式 由改变通电功率和测点位置得到的方程，得到和Rc的表达式。122,12111222/2,1/2,2,21,11,24124LLLTTIUTTLATLTLL L/2,1/2,2112211122,12,21,11,222412LcLLRLLTTTTITLUTL LL 五 实验结果 在空气中测定了直径和长度分别为4.87,174.6m；4.87,243.4m碳纤维的及其与基底间的Rc。在测量和Rc前，首先测定了长度为10.835mm的碳纤维在空气中的自然对流换
6、热系数，以验证自然对流换热对短纤维测试结果的影响可以忽略。5.1 对流换热系数的测定对流换热系数的测定 放置于空气中的直径和长度分别为4.87m,10.835mm的悬架碳纤维及其拉曼信号如图。改变碳纤维所处环境的温度，标定G峰峰位随温度的线性关系，得到其变化率为0.03012cm-1/K。D峰G峰2D峰u 对该悬架碳纤维通电加热，向基底的导热量与向空气的对流换热量相比可以忽略。u 通过测定通电加热导致的样品温升，得到样品与空气间的对流换热系数。5.2 TC和和TCR的测定的测定 下图是实验中制作的两个悬架碳纤维样品（d=4.87m;L=174.6,243.4m）。根据测定的碳纤维与空气间对流换
7、热系数（约3000W/(m2K)），假定纤维样品热导率为240W/(mK)，95%以上的加热量（通电加热和激光加热）由导热向环境散失。对样品1进行测试，通电功率为0、6.25mW时，G峰峰位为1582.10、1581.21cm-1；不对样品通电，激光光斑距离左侧热沉25、65m，G峰峰位为1581.80、1581.15cm-1，分别示于下图。测得样品1的TC 和TCR 分别为：305.7W/(mK),1.85103K/W；以同样的方法测得样品2的TC和TCR分别为：316.1W/(mK),2.98103K/W。5.3 误差分析误差分析式中，i 为引起待测量Y变化的独立变量。本实验中引起误差的量
8、有：样品的长度，截面积；温度的测定，通电功率的测定；忽略辐射和对流换热。其中：忽略辐射和对流换热引起了系统误差，使得测定值比实际值高约5%；其它因素引起的误差为10.5%。2=1niiiYY六 结论 开发了开发了同时测量同时测量微纳米材料微纳米材料TC及其与基底间及其与基底间TCR的方法；的方法；该方法可以在该方法可以在考虑激光加热考虑激光加热且不需已知样品对且不需已知样品对激光吸收量激光吸收量的的条件下进行测量；条件下进行测量；在空气中测定了短碳纤维的热导率及其与基底间的接触热阻，在空气中测定了短碳纤维的热导率及其与基底间的接触热阻，验证了验证了该方法。该方法。Thank you for your attention！
