同时测定低维材料热导率、热扩散率和热容的方法及系统

摘要

本发明属于低维材料热测试技术领域，尤其涉及一种同时测定低维材料热导率、热扩散率和热容的方法及系统。该系统利用频率可变的周期波型热源组件作为正弦波热源，利用红外测温探头非接触式采集样品不同部位的温度信号，利用锁相放大器双通道采集高信噪比的周期波形信号，用计算机处理信号和数据分析，能同时测量热扩散率、热容和热导率。本方法在Angstrom方法的基础上，通过加入频率变量，提出新的解析方法，使得一套制具同时测量热导率、热扩散系数和热容变为可能，同时增加热耗散项m2的考量，使得振幅衰减系数β的平方β²多了一个实部m²，整套解析方法在实际使用中的精度和可靠性大为提高。

主权项

一种同时测定低维材料热导率、热扩散率和热容的方法，其特征在于，包括如下步骤：a)以正弦波热源加热样品n次，其中n大于或等于2且小于或等于20，每次加热的正弦波的振荡周期分别表示为ω_i；b)每次在样品离热源分别为x、x’距离的两个不同部位加热，采集温度信号T_i、T’_i，所得两列信号为随时间t变化的函数T_i(t)、T′_i(t)都是以周期为ω_i的正弦波形，只是振幅有所不同，离热源近的振幅较大；c)调整正弦波热源的频率为ω_i，i为取值1～20的正整数，重复步骤b)，得到一系列不同频率下的波形组T_i(t)、T′_i(t)；d)将每个频率ω_i下的T_i(t)、T′_i(t)进行正弦波形拟合，得到振幅M_i、M′_i以及T_i(t)、T′_i(t)两条正弦波之间的相位差dt_i；e)根据式(2′)计算不同频率ω_i下的热扩散率α_i，求平均值即为样品热扩散率α^*，${\alpha }_i=\frac{{(x^{\prime }-x)}^2}{2{\mathrm{dt}}_{i}ln\frac{M_i}{{M_i}^{\prime }}}---\left(2^{\prime }\right)$f)根据式(3)计算不同频率ω_i下的两个参数P_i和Q_i；$P_i=\frac{1}{x^{\prime }-x}ln\frac{M_i}{{M^{\prime }}_i},Q_i=\frac{{\omega }_i{\mathrm{dt}}_i}{x^{\prime }-x}---\left(3\right)$g)根据式(4)，以在x点所测的不同频率下的M_i为自变量，以响应的为因变量进行线性拟合，拟合所需的样本点大于等于3个，所得斜率λ为样品的热导率；$\frac{j_0{e}^{-P_{i}x}}{\sqrt{{P_i}^2+{Q_i}^2}}=\lambda ·M_i---\left(4\right)$其中j₀为仪器常数，用已知热导率的标样铜片标定，x为测温点距离热源的距离，M_i为该测温点所测波形的振幅，e为自然常数；h)根据式(5)，以在x’点所测的不同频率下的M’_i为自变量，以响应的为因变量进行线性拟合，拟合所需的样本点大于等于3个，所得斜率λ’为样品的热导率；$\frac{{j_0}^{,}{e}^{-{P^{,}}_i{x}^{,}}}{\sqrt{P^{\prime }{{}_i}^2+Q^{\prime }{{}_i}^2}}={\lambda }^{,}·{M^{,}}_i---\left(5\right)$i)求λ和λ’平均值即为样品最终的热导率λ^*；j)有了热扩散率α^*和热导率λ^*，并根据式(1)λ＝C_vα        (1)求得热容C_v^*。