【科研进展】基于激光闪射法的石墨质膜导热性质的可靠测量

Zhang, P., Ming,X., Liu, Y. et al. An Improved Thermal Conductivity Measurement Scheme for Macroscopic Graphitic Films Using the Laser Flash Method. J. Therm. Sci. (2024).

https://doi.org/10.1007/s11630-024-1997-x

研究背景

具有低密度、高导热、高柔性、高化学稳定性等优异特性的石墨质膜是近年来获得广泛应用的高功率电子器件散热材料。导热率作为石墨质膜一项重要的基础物性参数，实现其精确测量具有重要意义。然而，由于缺乏统一的测量规范，导致石墨质膜导热性能测量存在显著偏差，甚至已报道的研究工作中还存在着测试错误的现象，不利于石墨质膜材料性能的准确评估和领域的健康发展。

文章概述

最近，浙江大学高分子系高超教授、刘英军研究员等提出了基于激光闪射仪对石墨质膜材料的热扩散系数可靠测量的全流程方案与误差分析。针对使用激光闪射仪测量石墨质膜导热性能过程中存在的误差因素，根据激光闪射法测量的基本原理、测量要求及样品厚度适用范围，讨论了测试过程中表面预处理条件、仪器参数设置及数据分析与后处理等对测试结果的影响，探索实现导热性能准确评估的测试方案，以期实现碳基薄膜材料导热性能的准确评估与一致性认识。此外，还对石墨烯厚膜和常见各向同性材料的激光闪射仪准确导热测量进行探究，以满足多元化的热测量要求。

文章网址：https://doi.org/10.1007/s11630-024-1997-x

图文导读

图1 (a)商用处理器的功率密度趋势和(b)过去几十年热管理领域的研究文章数量。(c)激光闪射法在各种热管理应用场景下的导热系数测量范围。(d)高导热石墨膜。(e)铜箔、聚酰亚胺基石墨膜和石墨烯膜散热时的红外图像。(f)激光闪射法测量热扩散系数的原理示意图。(g)激光闪射法中被测样品的理想温升曲线。(h) 激光闪射仪测量面内热扩散系数的示意图。

图2 (a)不同样品喷碳前后对红外光的吸收率。(b)不同喷碳状态的SEM图像。不同喷碳状态下的(c)光学轮廓仪图像和(d)粗糙度。三种喷碳状态分别为:A =未喷，B =未完全覆盖，C = 完全覆盖。(e)石墨涂层喷涂量对红外探测器信号及测量结果的影响。(f)改良的喷碳方法的示意图。(g)使用改良的喷碳方法前后的三种石墨膜。(h)三种石墨膜采用不同预处理方法得到的测量结果。(i)纯铜采用不同预处理方法得到的测量结果。

图3 (a)影响测试结果的参数。(b)同一样品在不同脉冲电压和脉冲宽度下测量得到的导热系数。(c)导热系数作为激光脉冲能量的函数。横轴表示红外探测器的输出信号，该信号用于表示激光脉冲能量，沿这条线外推至信号为0以得到固有导热系数。(d)信噪比差的温度曲线。(e)不同输出信号下测量结果的变异系数，其值反映了测量的可重复性。(f)脉冲峰值与温升曲线有明显重叠的温度曲线，其拟合曲线与实际曲线不匹配，造成t0.5的拟合误差。(g)是否计热损耗拟合得到的温度曲线。(h)拟合模型是否计入热损失的相对误差。（上述温度曲线拟合均已加入脉冲修正）

图4 (a)不同厚度石墨烯膜在不同测量方法下得到的导热系数。(b)石墨烯厚膜的热输运在平面内和平面间同时发生。(c) 激光闪射仪“Laminate”模式测量示意图。(d) “Laminate”模式下不同高度的同一样品测量得到的导热系数。

图5 (a)不同导热系数的不同材料。(b)激光闪射仪垂直模式测量热扩散系数的示意图。采用面内和垂直模式测量得到的不同厚度的各向同性材料的导热系数，包括(c) PTFE, (d) 304不锈钢, (e) Al2O3, (f)黄铜和(g)铜。(h)面内模式测量中不同导热范围的材料的推荐厚度。

总结与展望

（1）全面总结了激光闪射法测量面间和面内导热性质的基本原理及区别。

（2）科学规范了使用激光闪射仪测量高导热石墨质膜导热性能的技术流程。

（3）合理地提出了高导热石墨烯厚膜和各类各向同性材料在激光闪射仪面内测量模式下的通用性建议。