Flash DSC跨界表征材料的熱導(dǎo)率

張建軍

河北師范大學(xué)分析測(cè)試中心，化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，石家莊 050024

采用描述物質(zhì)熱傳導(dǎo)能力的參數(shù)為熱導(dǎo)率。熱導(dǎo)率直接影響材料加工過(guò)程的工藝調(diào)節(jié)和產(chǎn)品器件質(zhì)量。近年來(lái)，導(dǎo)熱材料在電子芯片、新能源汽車(chē)、網(wǎng)絡(luò)通信和人工智能等方面有越來(lái)越重要的應(yīng)用，快速準(zhǔn)確地表征材料的熱導(dǎo)率是一項(xiàng)很重要的工作。

傳統(tǒng)的導(dǎo)熱率測(cè)試研究方法主要分為穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)技術(shù)，前者采用絕緣襯底上的金屬橋?qū)悠愤M(jìn)行電阻加熱和溫度監(jiān)測(cè)，其缺點(diǎn)是耗時(shí)長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境要求高、樣品需求尺寸大；后者通過(guò)快速擾動(dòng)，監(jiān)測(cè)溫度隨時(shí)間的瞬態(tài)變化，缺點(diǎn)是測(cè)試復(fù)雜，所測(cè)數(shù)據(jù)往往還需數(shù)學(xué)方法進(jìn)行修正。

超快掃描量熱技術(shù)通過(guò)較小的樣品量在芯片傳感器上實(shí)現(xiàn)了較快的升降溫掃描速率和較精準(zhǔn)的溫度控制，拓展了常規(guī)差示掃描量熱(DSC)技術(shù)在動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用。其商業(yè)化設(shè)備梅特勒公司生產(chǎn)的Flash DSC通常采用銦顆粒的熔點(diǎn)進(jìn)行設(shè)備的溫度校正。

近日南京大學(xué)胡文兵教授課題組根據(jù)此溫度校正實(shí)驗(yàn)提出了一種測(cè)試材料熱導(dǎo)率的新方法，相關(guān)內(nèi)容發(fā)表在Thermochimica Acta上1。對(duì)樣品底部的芯片傳感器進(jìn)行加熱而獲得的不同升溫掃描速率βh，利用樣品上方銦的熔點(diǎn)和參比盤(pán)上銦的熔點(diǎn)之差ΔT，來(lái)反映樣品上下表面的溫差。由傅里葉熱傳導(dǎo)定律，樣品上下表面的溫差與垂直于薄膜表面方向的加熱速率成正比，由比例系數(shù)可測(cè)得樣品的熱導(dǎo)率。所測(cè)得的聚乙烯薄膜樣品的熱導(dǎo)率與采用其它方法測(cè)得的文獻(xiàn)報(bào)道值較為接近，證明了此方法的有效性。

采用Flash DSC方法測(cè)試材料的熱導(dǎo)率，僅需極小的樣品量，可對(duì)納米級(jí)重量和厚度尺寸的樣品熱導(dǎo)率進(jìn)行有效表征和測(cè)量。本方法突破了傳統(tǒng)DSC測(cè)試方法的邊界，適用材料范圍廣泛，溫度范圍也可隨標(biāo)樣而改變，將來(lái)有望進(jìn)行低維材料、液體材料、取向材料和高導(dǎo)熱材料的測(cè)定，也可表征表界面的熱阻，具有較廣闊的應(yīng)用前景。

樣品擺放位置圖和不同升溫速率的熔融曲線。