基于TPS法的薄膜导热系数测量技术研究

摘要

薄膜作为一种特殊材料，其厚度极小，与常见的块状材料相比有很大差异，故它的导热系数测量是一个难点。瞬态平面热源（Transient Plane Source, TPS）法为此提供了可行方案。本课题组在前期的技术积累中，已利用 TPS 法对块状材料导热系数进行了准确测量。但是，由于薄膜材料的特殊性，TPS法测量其导热系数还存在诸多问题，如 TPS 法测量薄膜的基本原理并未阐明，薄膜本身的热阻、实际中的接触热阻以及背景材料对测量误差的影响还有待研究，测试系统中薄膜导热系数计算的软件算法也未开发。 针对上述问题，本文旨在从原理、仿真模型、软件算法和实验等方面对TPS法测量薄膜导热系数的测量技术进行研究，完成的主要工作有： 1、介绍了薄膜导热系数测量的技术背景，明确了薄膜导热系数测量的重要意义，比较了当前的主要测量方法和 TPS 法的差异，提出了本课题的研究目的并叙述了主要内容。 2、结合一维稳态传热模型和TPS法，阐述了薄膜导热系数测量的基本原理，得到了导热系数的计算方法和界面温度差的确定方法，并修正了原理中的系统误差，简化了无量纲时间函数。 3、运用基于COMSOL Multiphysics 软件的仿真技术，建立了TPS法测量薄膜导热系数的仿真模型，并对有可能的影响因素包括薄膜热阻、接触热阻和背景材料等进行了数值分析，得到了测量准确度提高的方法并为后续实验作指导。 4、基于课题组原有的硬件系统，提出了薄膜测量的软件设计方案，并对各个软件模块进行了详细分析。 5、采用搭建好的测试系统对单一厚度薄膜和不同厚度薄膜进行了实验。结果表明，TPS法可以较为准确地测量薄膜导热系数，但薄膜本身热阻和实际中接触热阻的存在会使得测量结果产生误差。对于单一厚度薄膜和不同厚度薄膜，可分别用不同方法对误差进行修正，从而提高测量准确度。 6、对本文所完成的工作进行总结，并就未解决的问题提出了展望。

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