薄膜熱電材料熱導率測試系統及方法技術方案

本發明專利技術提出了一種用于測試薄膜熱電材料熱導率的測試系統，該系統由真空體系、測試卡具和控制及測試電路體系三部分構成。待測薄膜熱電材料試樣放置在測試卡具內，測試過程中測試卡具內部處于密閉的真空環境中?？刂萍皽y試電路體系用于調控流經加熱塊上的電流，實現薄膜熱電材料測試過程熱流量的控制以及測試數據的采集，并將測試數據傳輸至微型計算機，通過微型計算機實現對整個測試系統測試過程的控制、測試數據的處理以及測試數據和計算結果在計算機顯示器上的實時顯示，可以實現對薄膜熱電材料熱導率的精確測定。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及材料科學領域中熱電材料性能測試技術，特別涉及一種。
技術介紹
隨著微納米技術、微機電系統(MEMS)、超大規模集成電路技術的快速發展，對微納米尺寸材料的研究及其應用日益受到重視。熱電材料是一種能實現熱能與電能之間相互轉換的功能材料，在溫差發電、溫差電制冷以及傳感器等方面有著廣泛應用。熱電材料的熱電轉換效應(亦稱賽貝克效應)可用下式表示E = a (T1-T2)式中T1和T2是熱電材料兩端的溫度，且T1 > T2, α為賽貝克系數，E為熱電材料在溫差為(T1-T2)條件下產生的賽貝克電動勢。熱電材料兩端的溫差(T1-T2)越大，產生的賽貝克電動勢也越大。為了獲得高的賽貝克電動勢，要求熱電材料具有低的熱導率。因此， 熱導率是熱電材料的一項重要性能指標。熱導率的定義如下當溫度垂直梯度為l°c /m時， 單位時間內通過單位水平截面積所傳遞的熱量。在一般情況下，則有dE/dt = -K · A · dT/dl (I)(I)式中E是在時間t內所傳遞的熱量，A為材料的截面積，I為長度，T為溫度， K為熱導率。傳統的熱電材料通常采用冶金的方法或者粉末燒結的方法制造。這類方法制造的塊體熱電材料，采用激光熱導率測試儀可以方便地測出熱電材料的熱導率。但對于厚度在微米甚至納米尺度的熱電材料，激光熱導率測試儀已經不能用于測試其熱導率。目前， 國內外尚無商品化的用于薄膜熱電材料熱導率測試的儀器。本專利技術的，可以快速準確地測量薄膜熱電材料的熱導率，解決了目前薄膜熱電材料熱導率無法測量的問題。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服現有技術的不足，提供一種用于測試薄膜熱電材料熱導率的測試系統及方法，能夠實現對薄膜熱電材料熱導率(厚度在微米甚至納米尺度的熱電材料)的精確測定。本專利技術的目的通過下述技術方案予以實現一種用于測試薄膜熱電材料熱導率的測試系統，由真空體系、測試卡具和控制及測試電路體系三部分構成。待測薄膜熱電材料試樣放置在測試卡具內，測試過程中測試卡具內部處于密閉的真空環境中。控制及測試電路體系用于調控流經加熱塊上的電流，實現薄膜熱電材料測試過程熱流量的控制以及測試數據的采集，并將測試數據傳輸至微型計算機，通過微型計算機實現對整個測試系統測試過程的控制、測試數據的處理以及測試數據和計算結果在計算機顯示器上的實時顯示。該系統可以實現對薄膜熱電材料熱導率的精確測定。具體結構描述如下真空體系(如附圖5、附圖6所示)由壓力表20、接壓力表三通21、熱偶真空計22、 接熱偶真空計三通23、真空泵三通24、放氣閥25、接放氣閥三通26、手動真空閥27、真空泵接口 28、真空泵29、三通密封蓋30、密封卡箍8和密封膠圈9組成。其特征是，啟動真空泵 29，打開手動真空閥27后，測試系統的測試卡具內逐漸形成真空環境，測試卡具內的真空環境可以最大限度地減少因待測試樣4的測試表面以及加熱塊7表面的熱輻射造成的熱量損失。測試卡具(如附圖I、附圖2所示)由試樣支撐架外罩I、試樣支撐架2、試樣支撐架連接端口 3、第一測溫熱電偶5、第二測溫熱電偶6、加熱塊7、密封卡箍8、密封膠圈9、連接管10、接外引線三通11、外引線接口 12組成。其特征是，試樣支撐架I的內部形成放置待測試樣的樣品室；待測試樣4放置在位于試樣支撐架2上的試樣底座32之上，試樣底座32 通過試樣底座固定螺釘34固定在試樣支撐架2之上。加熱塊7放置于加熱塊底座31上， 可通過加熱塊底座固定螺釘33固定加熱塊底座31的位置，以保證加熱塊7與待測試樣4 的傳熱端面緊密接觸。調整熱電偶底座35的位置，旋緊熱電偶底座固定螺釘36以保證第一測溫熱電偶5和第二測溫熱電偶6與待測試樣4的測試面緊密接觸。第一測溫熱電偶5 測得待測試樣4測試面上該熱電偶所處位置處(測溫點)的溫度，第二測溫熱電偶6測得得待測試樣4測試面上該熱電偶所處位置處(測溫點)的溫度。當通過控制及測試電路體系調節流經加熱塊7上的電流使其釋放熱量，在高真空環境中，短時間內電流流經加熱塊7 產生的熱量幾乎全部通過待測試樣4的傳熱端面沿薄膜熱電材料的長度方向傳導并在長度方向上建立起溫度梯度，通過位于熱電偶底座35兩端的第一測溫熱電偶5和第二測溫熱電偶6，分別測得待測試樣4測試面上這二個熱電偶所處位置處(測溫點)的溫度。本專利技術的薄膜熱電材料熱導率測試系統在真空條件下進行測試，按照附圖5和6 所示，將測試卡具與真空體系相連接。即接外接引線三通11通過密封卡箍8與接壓力表三通21相連接，接壓力表三通上的壓力表20用于顯示測試體系內部的壓力。接熱偶真空計三通23通過密封卡箍8與接壓力表三通21相連接，其上安裝的熱偶真空計22用于顯示帶真空體系測試卡具內部的真空度。接真空泵三通24通過密封卡箍8與接熱偶真空計三通 23相連接，其上安裝的手動真空閥27用于調節測試體系內部的真空度，通過密封卡箍8將手動真空閥27與真空泵接口 28相連，真空泵接口 28通過外接管線與真空泵29連接。接放氣閥三通26通過密封卡箍8與接真空泵三通24相連接，其上安裝的放氣閥25用于調節測試系統內部的壓力?？刂萍皽y試電路體系(如附圖3所示)由加熱塊導線13、第一測溫熱電偶導線14、 第二測溫熱電偶導線15、控制及數據采集裝置16、數據傳輸線17、微型計算機18、冰水混合浴19組成。其特征是，樣品室內的加熱塊7、第一測溫熱電偶5和第二測溫熱電偶6均通過安裝在接外引線三通11上的外引線接口 12延伸出測試卡具?？刂萍皵祿杉b置16通過加熱塊導線13實現對流經測試卡具內的加熱塊7上的加熱電流大小的控制，從而控制流入待測薄膜溫差電材料的熱量；控制及數據采集裝置16通過第一測溫熱電偶導線14與第一測溫熱電偶5相連、第二測溫熱電偶導線15與第二測溫熱電偶6相連，實現對待測試樣4 測試面上二個熱電偶所處位置處(測溫點)溫度的采集；控制及數據采集裝置16由A/D轉換器、單片機、串口轉換器、電源、進行電流控制和信號傳輸及信號處理的電子電路等組成； 控制及數據采集裝置16通過數據傳輸線17連接到微型計算機18上，由微型計算機18對控制及數據采集裝置16采集到并上傳的數據進行處理，并在微型計算機18的顯示器上實時顯示采集到的數據以及數據處理結果。本專利技術提出的測試系統的測試原理是基于一維傅里葉傳熱方程(Fourier thermal conductivity equation)求解熱導率的穩態方法，即q是熱流密度矢量，它表示在單位等溫面面積上，沿溫度降低的方向，單位時間內傳導的熱量。熱導率K反映物質的導熱能力，其單位是W/(πι·Κ)，其中，W為功率單位(瓦特)，m為長度單位(米)，K為溫度單位(開爾文)。AT為兩測溫點之間的溫差。Λχ* 兩測溫點之間的距離。在微尺度傳熱學理論中，當材料的傳熱尺度L及傳熱時間t可以和聲子的平均自由程1(10_7 10_8m數量級)及平均自由時間τ (10_12s數量級)相比擬時， 將不滿足傅立葉傳熱定律。因此用這種方法測量薄膜熱導率，要求被測薄膜的厚度大于聲子的平均自由程，即要求被測薄膜的厚度在微米數量級或納米數量級。本測試系統由第一測溫熱電偶5和第二測溫熱電偶6分別測得待測試樣4測試面上這二個熱電偶所處位置處 (測溫點)的溫度！^和！^，則(2)式本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：王為，冀宇，
申請(專利權)人：天津大學，
類型：發明
國別省市：