一种薄膜材料导热性能测试装置及方法

技术领域

本发明涉及材料性能表征技术领域，特别是涉及一种薄膜材料导热性能测试技术，尤其是高导热薄膜材料导热性能测试装置及测试方法。

背景技术

材料的导热系数是研究材料物理性能的一个重要参数指标，在科研、教学、生产、检验等部门都要求对材料的导热系数进行预测或实测。导热系数是反映材料导热性能的重要物理量，它不仅是评价擦了的热学性的依据，而且也是材料在应用时的一个设计依据，因此在科学实验和工程技术中对材料的导热系数的测定成为开发新材料以及新材料应用的关键。

随着5G时代的到来，更多高频、高功率、轻薄化的设备也随之涌现，伴随着这些器件的产生，薄膜材料，比如具有高导热性的石墨烯膜在这些器件的热管理领域得到广泛应用。因此，对石墨烯膜等类似薄膜材料导热系数的准确测量显得尤为重要。

现有测定薄膜材料导热系数通常采用热流计法，由于石墨烯材料属于二维晶体结构，导热能力各向异性，传统热流计法只适合测试石墨烯薄膜的垂直导热系数。而当测量水平导热系数时，如图1a和图1b所示，这种方法是将待测的薄膜材料1架设在加热端1和冷却端3之间，待测薄膜材料作为热量传导的媒介。但对于如石墨烯膜等高导热性薄膜来说，热量沿石墨烯膜纵向传导速度非常快，如果将石墨烯类待测薄膜暴露在环境中进行测试，因为材料表面积远大于热流横截面积，由于环境温度、向环境热辐射、环境空气气流等会严重影响测试薄膜材料导热系数的精度，导致测试误差增大，无法获得待测薄膜材料的精准导热系数。

发明内容

本发明旨在提出一种薄膜材料导热性能测试装置及方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

第一方面，为解决上述技术问题，本发明首先提供一种薄膜材料导热性能测试装置，包括：加热端和冷却端，所述加热端和冷却端间隔设置，用于将薄膜材料设置于加热端和冷却端之间进行测试，还包括覆盖薄膜材料上表面的上盖板和/或覆盖薄膜材料下表面的下盖板。

根据本发明的又一优选实施方式，所述上盖板和/或下盖板采用隔热材料制成。

根据本发明的又一优选实施方式，所述上盖板和/或下盖板内表面涂敷反射层。

根据本发明的又一优选实施方式，所述上盖板和/或所述下盖板外侧形成接续的凸缘，用于与薄膜材料表面紧密配合，所述上盖板和/或所述下盖板内表面与薄膜材料表面间隔设置形成空腔。

根据本发明的又一优选实施方式，沿加热端至冷却端方向，所述上盖板和/ 或所述下盖板内表面间隔设置至少一条间隔条，间隔条将空腔分成多个。

根据本发明的又一优选实施方式，所述间隔条为两个以上，相邻间隔条之间的间距为20-25mm。

根据本发明的又一优选实施方式，所述测试装置设置在密闭腔室中，并设置抽真空装置对该密闭腔室抽真空。

根据本发明的又一优选实施方式，所述下盖板为固定盖板，上盖板为活动盖板。

本发明还提供一种薄膜材料导热性能测试方法，上述的薄膜材料导热性能测试装置进行测试，该方法包括：

将薄膜材料放置于加热端和冷却端之间，并使薄膜材料两端下表面分别与加热端和冷却端上表面接触；

将上盖板覆盖住薄膜材料上表面，和/或将下盖板覆盖住薄膜材料下表面；

开启加热端对薄膜材料传导热量，冷却端检测吸收热量，对所述薄膜进行导热性能测试。

根据本发明的又一优选实施方式，在开启加热端之前，对测试装置所在的密闭腔室抽真空处理。

本发明通过设置上盖板与下盖板将待测薄膜覆盖住，使得待测薄膜与外界环境隔离，极大减少甚至消除测试过程中待测薄膜向环境的热传导、热辐射以及环境空气对流导致待测薄膜的热量损失，使得加热端产生的热量与冷却端接收的热量尽量趋于一致，有效提高待测薄膜导热系数的测量精度。此外，在进一步的改进中，上盖板和下盖板采用隔热材料，内表面涂敷反射层，设置多个间隔条将上下盖板分成多个空腔，以及对测试装置整体抽真空，可进一步提高导热系数的测量精度。

附图说明

图1a是现有薄膜材料导热性能测试装置的剖面示意图；

图1b是现有薄膜材料导热性能测试装置的俯视图；

图2a是本发明实施例一一种薄膜材料导热性能测试装置的剖面示意图；

图2b是本发明实施例一一种薄膜材料导热性能测试装置中上盖板的俯视图。

图中：

1-待测薄膜；100-测试装置；2-加热端；3-冷却端；4-上盖板；41-第一凸缘；42-第一间隔条；43-第一空腔；5-下盖板；51-第二凸缘；52-第二间隔条；53-第二空腔。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

实施例一

请参阅图2a和图2b，本发明实施例一提供了一种薄膜材料导热性能测试装置，本实施例中选用具有高导热特性的石墨烯薄膜作为待测薄膜，如图2a和图 2b所示，该测试装置100至少包括：加热端2和冷却端3，其中，加热端2由恒功率热源加热，加热端2和冷却端3间隔一定距离设置，该间隔距离与待测薄膜的长度相适应，加热端2和冷却端3的宽度与待测薄膜的宽度相适应。

为了提高导热效率，加热端2和冷却端3顶面即各自顶部的上表面均为平面，进一步，加热端2和水平端3二者顶部上表面的水平高度相同；再进一步，加热端2和冷却端3可以是柱体，顶部上表面可以是规则形状如正方形、长方形、圆形、其他多边形等，也可以是不规则形状，各自底部可以固定在进行测试的环境的水平平台上如地面、桌面等。

待测薄膜1两端可分别放置于加热端2和冷却端3各自的上表面(例如：平面样式的所述顶面)并与加热端2和冷却端3紧密接触。具体如待测薄膜1 的下表面，其两端分别放置在加热端2和冷却端3的上表面，其两端的下表面与加热端2和冷却端3各自的上表面贴紧方式接触。

根据背景技术的记载，现有的测试装置，均将待测薄膜暴露于环境中，这样会受环境温度的波动、暴露部分的热辐射以及空气对流等因素的影响，进而导致测量出现误差。本发明在上述检测装置的基础上，还增加了上盖板4和下盖板5，上盖板4可完全覆盖待测薄膜1的上表面，下盖板5可覆盖待测薄膜1 的下表面，由于待测薄膜1下表面的两端分别与加热端2和冷却端3的上表面紧密接触，在接触位置下盖板5未覆盖待测薄膜1，例如：下盖板的两端分别抵接在加热端和冷却端相对的内侧面。通过上盖板4与下盖板5将待测薄膜1覆盖住，使得待测薄膜1与外界环境隔离，极大减少测试过程中待测薄膜向环境的热传导、热辐射以及环境空气对流导致待测薄膜的热量损失，有效提高待测薄膜导热系数的测量精度。

进一步为了增加隔热效果，上盖板4与待测薄膜1上表面间隔开，即在上盖板4与待测薄膜1上表面形成第一空腔43，并且上盖板4外周边缘或者说外侧朝向待测薄膜1向下形成接续的第一凸缘41，第一凸缘41可与待测薄膜1上表面紧密配合。同理，下盖板5与待测薄膜1下表面间隔开，即在下盖板5与待测薄膜1下表面形成第二空腔53，并且下盖板51外周边缘朝向待测薄膜1向上形成接续的第二凸缘51，第二凸缘51可与待测薄膜1下表面紧密配合，第二凸缘51左侧抵接在加热端2，第二凸缘51右侧抵接在冷却端。通过上述上盖板 4和下盖板5的结构设计以及与待测薄膜1、加热端2、冷却端3的配合，可将待测薄膜1整体包裹在由上盖板4和下盖板5形成的空腔中，将待测薄膜与外界环境隔离开，极大地避免了热辐射和热传导，同时也避免外界环境温度波动以及空气对流的影响。

为了获得更优的效果，本发明还作了进一步的改进。首先是上盖板4和下盖板5的材料，优选采用隔热材料制成，隔热材料导热系数越低越好，如ABS 料、气凝胶隔热膜、或气凝胶类材料制成。其二是为了减少待测薄膜上热辐射的损失，在上盖板4和下盖板5的内表面涂敷有反射层，这样待测薄膜向外辐射的热量通过反射层的反射又返回到待测薄膜。

由于待测薄膜1的从加热端2至冷却端3温度不同，越接近加热端温度越高，越接近冷却端3温度越低，即待测薄膜1的温度从加热端2至冷却端3逐渐降低，这样待测薄膜1表面的高温段会向低温段热辐射，影响低温段的温度，进而待测薄膜1表面的这种热辐射会影响导热系数的检测结果，也就是这种热辐射是要避免的。鉴于此，本发明进一步在上盖板4内表面沿待测薄膜1长度方向间隔设置多条第一间隔条42，第一间隔条42可抵接在待测薄膜1的上表面上，或者与待测薄膜1的上表面具有微小间隙，这样可在上盖板4与待测薄膜1 上表面之间形成多个第一空腔43。同理，在下盖板5的内表面沿待测薄膜1长度方向间隔设置多条第二间隔条52，第二间隔条52可抵接在待测薄膜1的下表面上，或者与待测薄膜1的上表面具有微小间隙，这样可在下盖板5与待测薄膜1下表面之间形成多个第二空腔53。各第一间隔条42和各第二间隔条52均沿待测薄膜1的宽度方向延伸。

优选的，多条第一间隔条42等间距设置，相邻第一间隔条42之间的间距优选是20-25mm，多条第二间隔条52等间距设置，相邻第二间隔条52之间的间距优选是20-25mm。

为了提高可操作性，上盖板4和下盖板5均可在驱动机构驱动下在工作位置和非工作位置移动，其中，工作位置即是上盖板4、下盖板5盖住待测薄膜的情况，非工作位置即是上盖板4、下盖板5远离待测薄膜的位置。作为优选的实施例，其中下盖板5为固定盖板，始终位于加热端2和冷却端3之间，而上盖板4为可动盖板，可通过手动或者机械手操作上盖板4在工作位置和非工作位置移动。

为了进一步消除环境空气对测试结果的影响，将整个测试装置置于一密闭空间中，并在检测之前对密闭空间抽真空。

实施例二

本发明实施例二还提供了一种薄膜材料导热性能测试方法，

实施例二的测试方法采用上述实施例一中的测试装置。

具体步骤包括：

将薄膜材料放置于加热端和冷却端之间，并使薄膜材料两端下表面分别与加热端和冷却端上表面接触；

将上盖板覆盖住薄膜材料上表面，和/或将下盖板覆盖住薄膜材料下表面；

开启加热端对薄膜材料传导热量，冷却端检测吸收热量，对所述薄膜进行导热性能测试。

上述导热性能主要是指导热系数λ，可通过以下公式计算得到：

公式中：

Q：单位时间内流过的热量；

d：待测薄膜的长度；

A：待测薄膜的截面积；

T1：加热端温度；

T2：冷却端温度。

上述公式仅仅为了说明导热系数的计算方法，并不是本发明的关注点。

综上所述，本发明通过设置上盖板与下盖板将待测薄膜覆盖住，使得待测薄膜与外界环境隔离，极大减少甚至消除测试过程中待测薄膜向环境的热传导、热辐射以及环境空气对流导致待测薄膜的热量损失，使得加热端产生的热量与冷却端接收的热量尽量趋于一致，有效提高待测薄膜导热系数的测量精度。此外，在进一步的改进中，上盖板和下盖板采用隔热材料，内表面涂敷反射层，设置多个间隔条将上下盖板分成多个空腔，以及对测试装置整体抽真空，可进一步提高导热系数的测量精度。

需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定结构和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。

还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。