應(yīng)用小站 | 頻域熱反射法測(cè)量納米材料的熱導(dǎo)率

更新時(shí)間：2025-09-01

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納米材料是現(xiàn)代關(guān)鍵技術(shù)的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于納米電子學(xué)、電池技術(shù)、醫(yī)療技術(shù)和能源工業(yè)等領(lǐng)域。其的物理特性使傳統(tǒng)材料無法實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新應(yīng)用成為可能。納米材料的顯著特性之一是熱導(dǎo)率。由于其空間維度的縮減，熱導(dǎo)率表現(xiàn)往往與塊體材料截然不同。這一特性為多個(gè)領(lǐng)域開辟了新機(jī)遇，例如提升熱管理系統(tǒng)效率、開發(fā)熱電材料，以及實(shí)現(xiàn)高性能組件的熱絕緣。

在材料科學(xué)領(lǐng)域，有多種已確立的測(cè)量熱擴(kuò)散率的方法。例如，激光閃射法應(yīng)用廣泛，且能快速得出結(jié)果。在這種方法中，樣品的下表面由短激光脈沖加熱，然后隨時(shí)間記錄上表面產(chǎn)生的溫度分布情況，該方法能提供有關(guān)熱擴(kuò)散率的信息。這種方法非常適合用于致密樣品，但在測(cè)量納米結(jié)構(gòu)材料時(shí)卻存在局限性，因?yàn)榧词箤?duì)于絕緣材料，由于樣品厚度很小，延遲溫升的檢測(cè)時(shí)間在計(jì)量方面仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。

另一種方法是平板裝置法，該方法使用固定熱源來測(cè)定樣品內(nèi)部的熱流。然而，為了排除界面影響，它需要較大的樣品厚度，這同樣不適用于納米材料。熱線法和熱盤法也存在同樣的問題。在這些方法中，熱源與樣品直接接觸，由于接觸熱阻可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差。因此針對(duì)納米材料，需要采用更為精細(xì)和精確的測(cè)量技術(shù)，以獲取可靠、可重復(fù)且貼合實(shí)際應(yīng)用的數(shù)據(jù)。

BACKGROUND INTRODUCTION

一、測(cè)試方法原理

3ω法、拉曼光譜法、時(shí)域熱反射法（TDTR）和頻域熱反射法（FDTR）是納米材料熱導(dǎo)率測(cè)量中常用的技術(shù)，它們各有原理和適用場景，本文主要介紹林賽斯 TF-LFA L54 頻域熱反射法測(cè)量納米材料的熱導(dǎo)率。

核心原理:

頻域熱反射法是一種在頻域內(nèi)對(duì)薄膜熱性能進(jìn)行非接觸式表征的測(cè)量技術(shù)。該方法利用熱反射效應(yīng)構(gòu)建一個(gè)高靈敏度的溫度計(jì)，通過監(jiān)測(cè)樣品的反射率來檢測(cè)其表面的溫度變化。檢測(cè)時(shí)使用波長為532nm的連續(xù)激光（探測(cè)激光），同時(shí)使用不同波長（405nm）的調(diào)制泵浦激光進(jìn)行加熱。局部加熱會(huì)引起反射率的變化，熱激發(fā)與檢測(cè)之間的相位滯后是通過鎖相放大器測(cè)量的。利用熱擴(kuò)散傳輸模型對(duì)頻域中的響應(yīng)進(jìn)行建模，可以確定熱導(dǎo)率、體積熱容、熱擴(kuò)散率、傳熱效率和邊界熱導(dǎo)率。在樣品表面頂部沉積一層薄薄的金屬換能器層（厚度為60-70nm），以提高反射率的溫度系數(shù)（dR/dT），同時(shí)降低激光在材料中的穿透深度。

TESTING METHOD PRINCIPLE

二、應(yīng)用案例

如下圖所示，采用林賽斯 TF-LFA L54 對(duì)金剛石、二氧化硅等五種納米材料的熱導(dǎo)率進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果顯示，該五種納米材料熱導(dǎo)率的測(cè)量值與文獻(xiàn)值均具有較好的一致性，證明了 TF-LFA L54 測(cè)量系統(tǒng)在納米材料熱性能表征中的準(zhǔn)確性和可靠性。

APPLICATION CASE

三、總結(jié)

熱導(dǎo)率是材料科學(xué)中的一個(gè)關(guān)鍵因素，精確測(cè)量熱導(dǎo)率對(duì)于材料科學(xué)研究、工程應(yīng)用開發(fā)、能源技術(shù)革新及工業(yè)質(zhì)量控制等多個(gè)領(lǐng)域至關(guān)重要。然而對(duì)于納米材料而言，由于其小體積、異質(zhì)結(jié)構(gòu)和特殊界面效應(yīng)，使得傳統(tǒng)熱性能測(cè)量方法難以直接應(yīng)用，這給納米材料熱導(dǎo)率的測(cè)量帶來了特殊的技術(shù)挑戰(zhàn)。頻域熱反射法是一種在頻域內(nèi)對(duì)薄膜熱性能進(jìn)行非接觸式表征的測(cè)量技術(shù)，該方法無需提供材料的熱容和密度，允許對(duì)材料進(jìn)行各項(xiàng)異性（面間和面內(nèi)方向）測(cè)量，是解決納米材料熱導(dǎo)率測(cè)量難題的有效方法。