一种能测量各向异性材料导热系数的测量系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种能测量各向异性材料导热系数的测量系统及方法，涉及测量设备技术领域，解决了各向异性导热材料导热系数无法测量、测定不准确的技术问题。该测量系统包括激光发射单元、红外成像单元、计算单元、试验平台和恒温试验单元。本发明专利技术能够根据成像中的温度阶梯分布和温度变化情况通过稳态法和瞬态法联用的方法来计算导热系数，通过采用保温隔热材料制成的恒温试验单元，将红外成像单元和激光发射单元保护起来，保证外界的温度变化不会影响样品的温度变化，保证检测的准确性；该系统可直接对材料的导热系数进行测试，不受样品尺寸、表面性质因素的影响，可以处理各种尺寸、种类的样品，对样品不会进行破坏，是一种先进的测试手段。的测试手段。的测试手段。

【技术实现步骤摘要】
一种能测量各向异性材料导热系数的测量系统及方法


[0001]本专利技术涉及测量设备
，尤其是涉及一种能测量各向异性材料导热系数的测量系统及方法。

技术介绍

[0002]现今高集成电路高速发展，根据摩尔定律，每10个月电子原件的性能就会提升一倍，高集成电路已经进入了2nm时代。大规模的集成电路带来的是高运算性能，同时也带来了高发热量的问题。传统的导热材料无法满足散热要求，所以需要新兴的导热材料来进行替代。在导热材料制备的过程当中，测量导热系数成为研究的关键。
[0003]传统的导热系数测量大多采用热温差法，根据温度在材料中温度变化来得到，一般都是将样品利用液氮降温到指定温度，然后使用单一热源的方法对样品进行加热，通过测量样品两点之间的温度，获得温度扩散系数，即稳态法测试，稳态方法应用傅里叶热传导定律来测量热导率，稳态测量方法将三维传热转换为一维传热，简化了计算，但是，对样品的种类要求过高，往往得到的数据准确性不是很可靠，尤其对于各向异性材料，会受到样品的性质以及周边环境温差等因素的影响，无法满足测试需求。同时对于纤维状材料，现有设备无法进行测试。为了解决各种材料的导热性能测试，需要一种可靠且准确的检测方法及测量系统。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种能测量各向异性材料导热系数的测量系统及方法，采用本方法对样品进行直接测试，根据红外成像得到的阶梯分布温度场，结合导热系数计算公式，得到样品的导热系数，该系统不会受到测试环境，样品表面性质等因素的影响，可以得到新型材料的准确导热系数，以解决现有技术中存在的各向异性导热材料导热系数无法测量、测定不准确的技术问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了以下技术方案：
[0006]第一方面，本专利技术提供的一种能测量各向异性材料导热系数的测量系统，包括：
[0007]试验平台，用于承载整套测试系统，且所述试验平台上具有样品放置区，用于测试样品的放置；
[0008]激光发射单元，安装在所述试验平台上，用于向测试样品发射激光，以在测试样品上形成稳定的温度场；
[0009]红外成像单元，安装在所述试验平台上，用于对测试样品进行红外成像；
[0010]恒温试验单元，由高隔热材料组成，所述激光发射单元、所述红外成像单元和所述试验平台均放置在所述恒温试验单元内，以隔绝外部环境温度；
[0011]计算单元，根据红外成像中温度阶梯分布情况，结合内嵌公式进行导热系数计算。
[0012]进一步的，所述激光发射单元包括激光发射器、功率调节器和第一高度调节装置，所述激光发射器通过所述第一高度调节装置活动设置在所述试验平台上，所述功率调节器
固定在所述试验平台上，并通过导线与所述激光发射器相连。
[0013]进一步的，所述红外成像单元包括红外成像相机、第二高度调节装置、笔记本电脑、RJ45连接线，其中：所述红外成像相机通过所述第二高度调节装置活动设置在所述试验平台上；所述笔记本电脑通过所述RJ45连接线与所述红外成像相机相连。
[0014]进一步的，所述第一高度调节装置和所述第二高度调节装置结构相同，均包括滑轨、滑块、丝杠螺杆、支撑台；所述滑轨安装在所述试验平台上，所述滑块滑动设置在所述滑轨上；所述滑块中部设置有螺纹通孔，所述丝杠螺杆螺接在螺纹通孔内，所述支撑台固定在所述丝杠螺杆顶部，所述激光发射器和所述红外成像相机分别固定在所述支撑台上。
[0015]进一步的，所述激光发射单元与样品放置区呈30度或45度夹角布置。
[0016]进一步的，所述红外成像单元与样品放置区之间夹角小于45度。
[0017]进一步的，所述红外成像单元和所述激光发射单元对称设置，二者之间夹角为60度或90度，红外成像单元、激光发射单元和样品放置区在试验平台上呈固定角度组合，形成测试系统。
[0018]本专利技术通过采用激光发射单元和红外成像单元共同构成测量系统，为各向异性材料提供了导热性能测试设备，填补了测试行业的空白领域，同时，测试数据准确、可靠；在设备上可以实现原来仅仅在模拟领域出现的热传导现象，相对于现有的测试系统，该系统的应用方面广、测试能力强、结构简单可靠。
[0019]第二方面，本专利技术提供的一种导热系数测量计算方法，利用所述能测量各向异性材料导热系数的测量系统进行，包括如下步骤：
[0020]步骤S1、打开恒温试验单元，将测试样品，或者是，测试样品和基材样品放置在试验平台的样品放置区内，然后关闭恒温试验单元；
[0021]步骤S2、根据样品大小规格以及放置位置，调节激光发射单元和红外成像单元在试验平台的位置；
[0022]步骤S3、控制激光发射单元向测试样品，或者是，测试样品和基材样品发射激光，以在测试样品，或者是，测试样品和基材样品上建立稳定的温度场；
[0023]步骤S4、控制红外成像单元对测试样品，或者是，测试样品和基材样品进行红外成像；
[0024]步骤S5、根据红外成像中温度梯度分布、温度变化与测试样品类型，或者是，测试样品和基材样品类型，向计算单元内输入相关参数，结合导热系数公式，直接或对比方式计算测试样品的导热系数。
[0025]进一步的，测试样品类型包括：单一材料样品板、复合材料样品板和复合纤维材料；相关参数包括导热路径L、热量Q沿L的传递时间Δt，路径L两端的温差ΔT，单位面积上的功率w，导热面积s，时间t。
[0026]进一步的，导热系数按照以下公式计算获得：
[0027]直接法测量：当测试样品为单一材料样品板、复合材料板或复合纤维材料时，导热系数式中：Q＝wst；
[0028]对比法测量：wstL当测试样品为复合材料样品板时，复合材料的导热系数
Q1＝ws1t1；基材的导热系数Q2＝ws2t2其中：L1＝L2，s1＝s2,t1＝t2,Δt1＝Δt2；复合材料与基材的导热比为λ1/λ2＝ΔT2/ΔT1；
[0029]当测试样品为复合纤维材料时，复合纤维材料的导热系数Q1＝ws1t1；基材纤维的导热系数Q2＝ws2t2其中：L1＝L2，s1＝s2,Δt1＝Δt2,ΔT1＝ΔT2；复合纤维材料与基材纤维的导热比为λ1/λ2＝t1/t2。
[0030]本专利技术的测试方法，可以对各向异性材料进行导热测试，在样品尺寸合适时，可以同时使用稳态法和瞬态法对样品进行测试，确保测量数据的准确性；此外在对于纤维样品也可以进行导热系数的测试，这是传统的测试方法所不具备的，可以对纤维进行进行定向加热，然后通过稳态法和损态法进行对比测试，得到准确的测试数据；另外可以对原样和样品进行直接比较，做出相对的数值，该数值相对导热系数更加直观生动，可以更好的应用于科学研究。
附图说明
[0031]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种能测量各向异性材料导热系数的测量系统，其特征在于，包括：试验平台，用于承载整套测试系统，且所述试验平台上具有样品放置区，用于测试样品的放置；激光发射单元，安装在所述试验平台上，用于向测试样品发射激光，以在测试样品上形成稳定的温度场；红外成像单元，安装在所述试验平台上，用于对测试样品进行红外成像；恒温试验单元，由高隔热材料组成，所述激光发射单元、所述红外成像单元和所述试验平台均放置在所述恒温试验单元内，以隔绝外部环境温度；计算单元，根据红外成像中温度阶梯分布情况，结合内嵌公式进行导热系数计算。2.根据权利要求1所述的能测量各向异性材料导热系数的测量系统，其特征在于，所述激光发射单元包括激光发射器、功率调节器和第一高度调节装置，所述激光发射器通过所述第一高度调节装置活动设置在所述试验平台上，所述功率调节器固定在所述试验平台上，并通过导线与所述激光发射器相连。3.根据权利要求1所述的能测量各向异性材料导热系数的测量系统，其特征在于，所述红外成像单元包括红外成像相机、第二高度调节装置、笔记本电脑、RJ45连接线，其中：所述红外成像相机通过所述第二高度调节装置活动设置在所述试验平台上；所述笔记本电脑通过所述RJ45连接线与所述红外成像相机相连。4.根据权利要求4所述的能测量各向异性材料导热系数的测量系统，其特征在于，所述第一高度调节装置和所述第二高度调节装置结构相同，均包括滑轨、滑块、丝杠螺杆、支撑台；所述滑轨安装在所述试验平台上，所述滑块滑动设置在所述滑轨上；所述滑块中部设置有螺纹通孔，所述丝杠螺杆螺接在螺纹通孔内，所述支撑台固定在所述丝杠螺杆顶部，所述激光发射器和所述红外成像相机分别固定在所述支撑台上。5.根据权利要求1所述的能测量各向异性材料导热系数的测量系统，其特征在于，所述激光发射单元与样品放置区呈30度或45度夹角布置。6.根据权利要求5所述的能测量各向异性材料导热系数的测量系统，其特征在于，所述红外成像单元与样品放置区之间夹角小于45度。7.根据权利要求5或6所述的能测量各向异性材料导热系数...

【专利技术属性】
技术研发人员：李曙光，陈景序，李沛，陈哲，曹钊，
申请(专利权)人：内蒙古科技大学，
类型：发明
国别省市：