测材料热导率的方法 电话咨询:010-62334851
测量热物性和测量电学性质比较类似。
热导率 = 电导率
热容/比热 = 电容
加热流, 有温度差 = 加电流,有电压差
加AC热流,温度差对热流有相位差,因为有比热 = 加AC电流,电压对电流有相位差,因为有电容
对于一般金属, 在常温下,获得电阻率rou, 可以推算出热导率k。 满足 k*rou/T=const. T 是温度。 const = 2.45e-8, 称为Lorentz number.这是因为在金属中, 导电和导热主要是有电子在电场和温度场中移动完成的。
测量电阻率/电导率, 可以加电压,测流过的电流。 测热导率, 可以加热流,测两端的温度差。 但是热物性测量又要比电学测量困难的多, 这是因为可以找到电绝缘体,却没有热绝缘体。 在空气中测导体的电阻率,因为空气不导电, 所以所有电流都从导体中流过=>R=U/I. 但是在空气中测物体的热导率,一部分热从空气中导走, 虽然可以测两端的温度差, 但流过物体的热量却不知道,所以测出的热导率会有误差。在真空中,可能好一点, 但是如果温差大, 又有热辐射导热误差。。。
测量热物性, 有稳态和瞬态方法。
稳态指加DC热流, 测温差, 获得热导率k。
瞬态指加热流脉冲, 测温差的decay, 获得 thermal diffusivity =k/pC。
或者加AC热流,测温度和热流之间的相位差,获得 thermal diffusivity。
热导率和电导率一样, 一般随着物体尺寸的减小而减小, 而且出现各向异性。在文献中查到的一般都是bulk value, 适用于厚度大于5um左右的尺寸。
对厚度很小的thin film, 例如几百纳米厚金属,热导率只有其bulk value的一半。测量它们的热物性参数, 就很困难。 传统方法就不适用。
例如, 偶现在用的方法是用一纳秒激光加热thin film,然后用另一激光测其表面温度的decay, 从decay的shape反推出thin film的热导率。
这里AC指交流, DC指直流 pc是是物体的热容 (heat capacity): p 是密度, kg/m^3.
c是比热( specific heat), J/kg-K
这里q是热流密度, 单位是W/m^2.
热导率公式: q = k * DT/DX (Fourier公式).
k : W/m-K
DT: temperature difference
DX: distance.
电导率公式:I/A = (1/rou) * DE/DX DE/DX = U
rou: 电阻率 A: 横截面积
Fourier公式对于物体尺寸相当或小于heat carrier 的mean free path 时不适用。这时候等效的k 也要比bulk value小。
料热导率的仪器