超短脈沖閃光法薄膜導熱儀

一、簡介

薄膜熱性能測試一直是材料熱物理性能測試技術的重要內容之一。隨著電子行業的發展，新出現了各種新型的高導熱材料，如石墨烯導熱薄膜等。這些新型高導熱薄膜材料的出現使得以往常用的激光脈沖法測試設備已經無法滿足要求，這主要是由于普通形式激光脈沖法導熱系數測試設備激光脈沖寬度（幾十微秒～幾百微秒）相對于薄膜厚度和薄膜熱擴散率而言已經很寬，已經無法滿足激光脈沖法測試模型的邊界條件要求，這就是目前各種高導熱薄膜材料導熱系數測試誤差較大的最主要原因。盡管很多廠商在傳統寬激光脈沖熱性能測試設備上采用了脈寬修正技術，但經過證實，這種脈寬修正技術對于微米量級的薄膜材料導熱系數測試還是存在很大誤差。

為了準確有效測量各種厚度微米量級薄膜材料的導熱系數和熱擴散系數等熱性能參數，上海依陽公司依據經典的激光脈沖法，采用超短脈沖激光器和超高速紅外探測器及數據采集系統，推出了超短激光脈沖法薄膜導熱系數測定儀，將加熱試樣的激光脈沖寬度縮短三個數量級到幾個納秒，而試樣背面溫升探測器也同時采用高速紅外探測器。

二、特點

（1）超短激光脈沖

采用YAG單脈沖激光器，波長1.06μm，激光光斑直徑6mm，激光脈沖寬度5～7ns，激光能量可調為450mJ。采用超短激光脈沖進行薄膜材料的導熱系數測試，實現了激光加熱脈沖時間遠小于高導熱薄膜樣品內溫度傳播特征時間，滿足了激光脈沖法測試模型的要求。 對于薄膜材料，普通激光脈沖法測試設備中的寬激光脈沖會給薄膜試樣帶來損傷，損傷厚度會達到微米量級，這會嚴重改變被測薄膜試樣自身的熱性能參數，而超短激光脈沖則規避了這個問題，由此可以實現更加真實和準確的薄膜材料導熱系數測試，解決了厚度為微米量級薄膜材料厚度方向的導熱系數測試難題。 另外，激光器采用全封閉式的內循環水冷系統，外循環采用風冷技術，避免了外接冷卻水的麻煩。

（2）高速背面溫升測量

采用光伏型液氮冷卻碲鎘貢紅外探測器測量激光脈沖照射后薄膜試樣背面的溫度快速上升，探測器峰值響應波長為10um，響應時間為10ns，光敏元直徑1mm。采用紅外增透的鍺透鏡將直徑6mm試樣區域的背面溫升紅外信號聚焦到探測器光敏元上，配合響應的前置放大器和數據采集器獲得完整的薄膜試樣背面溫升曲線。整個放大器和數據采集器放置在電磁屏蔽盒內降低激光發射時對信號的干擾。

三、技術指標

（1）試樣材料：各類無機、有機及復合薄膜材料

（2）測試參數：導熱系數、熱擴散系數

（3）溫度范圍：-50℃～200℃（循環加熱制冷器，更高溫度可達1000℃采用電阻加熱爐）

（4）測量精度：≤±3%（室溫以上），≤±5%（室溫以下）

（5）試樣尺寸：直徑φ13～16mm，試樣厚度0.9μm～500 μm

（6）激光器脈沖寬度：8ns

（7）背溫探測器：光伏型液氮制冷碲鎘貢紅外探測器

（8）探測器采樣速度：5ns

（9）測試環境：空氣/真空/惰性氣氛

四、普通激光閃光法測試設備測試薄膜材料結果和分析

（1）不同厚度金屬試樣的測試結果

相關文獻：Peter Schoderb?ck, Hermann Klocker, Lorenz S. Sigl, Gernot Seeber “Evaluation of the Thermal Diffusivity of Thin Specimens from Laser Flash Data”, International Journal of Thermophysics, April 2009, Volume 30, Issue 2, pp 599-607.

測試設備：德國耐馳公司的LFA 457 MicroFlash，激光脈沖寬度：0.33ms。

測試試樣：鉑、銅、鉬、鎢、銀和鈦

試樣狀態：圓片狀試樣，直徑為12.7mm，試樣的兩個平面進行拋光處理并保持很好的平行度，并在測試前對試樣表面涂敷石墨，

測試溫度：（25.8 ± 0.2）℃。

測試數據處理：熱擴散系數計算采用Cowan模型中所包括的脈沖修正，每個測試結果都是五次重復測量的平均值。

文獻報道采用LFA457 MicroFlash測試6中不同金屬材料熱擴散系數隨試樣厚度變化結果

文獻報道中鉬、鈦和銀三種試樣不同厚度時熱擴散系數測試結果與值之間的相對誤差變化情況
文獻報道中鉑、銅和鎢三種試樣不同厚度時熱擴散系數測試結果與值之間的相對誤差變化情況
采用國產普通激光閃光法測試設備測試不同厚度SiC熱擴散系數結果

測試結果分析：

■    從以上測試結果可以看出，對于較厚試樣，熱擴散率測試結果基本保持為常數，并與值相差在1%以內。

■    對于較薄試樣，熱擴散率越大，試樣厚度越薄，測試相對誤差就越大。對銀和銅這類高導熱高熱擴散系數材料，盡管采取了脈寬修正措施，但測試相對誤差還是達到了50%以上。

（2）激光閃光法測試薄膜材料過程中激光脈寬誤差分析

從以上常用激光脈沖法測試結果中可以看出，采用脈寬幾十至幾百微秒的激光脈沖，盡管采用了脈寬修正技術，但由于無法準確描述出每次激光發射的脈沖波形函數并進行響應的準確計算和修正，薄膜熱擴散系數測試還是存在極大誤差。

雖然最近有些廠家推出了更窄脈沖的激光閃光法測試設備，激光脈沖寬度范圍為20～1200us，最窄脈沖寬度達到了20微秒，但對薄膜熱擴散率系數測試精度并未產生根本的改善。

按照激光脈沖法測試模型，明確要求激光脈沖寬度在滿足 τ₀/t_c < 0.02="" 的情況下，測試結果能夠控制在1%誤差以內。其中="">τ₀ 為激光脈沖寬度，單位秒；t_c 表示特征時間，定義為 t_c =(L /π )²α ^-1 。那么對于熱擴散系數為 174mm²/s 厚度為0.1mm的純銀，其 t_c 為5.83微秒。如果選取最小激光脈沖寬度20微秒，那么 τ₀/t_c 為3.4，還是遠遠大于0.02。由此可見，就算是采用了20 微秒的激光脈沖寬度，還是會引起很大測量誤差。但如果選擇8納秒的超短脈沖激光，則 τ₀/t_c 為0.0014，遠遠小于0.02，符合激光閃光法測試標準要求。

五、超短脈沖閃光法薄膜熱性能測定儀測試幾種薄膜材料熱擴散系數

采用超短脈沖激光法測試幾種薄膜的熱擴散系數，測試溫度范圍為-55℃～250℃。在低于-55℃溫度后，響應的紅外輻射波長已經超出了現有探測器的敏感波段范圍，紅外探測器對溫升信號不敏感，無法檢測到響應的背溫信號，更低溫度下的熱擴散率測量需要采用不同波段范圍的紅外探測器。

采用超短脈沖閃光法測試厚度57.5微米純銅薄膜在不同溫度下的熱擴散系數結果。圖中測試結果的相對誤差限為±2%，測試結果擬合曲線為為溫度的二次多項式方程。從結果可見，對于高導熱薄膜材料的測試，采用超短脈沖閃光法可以得到更高的測試精度。
采用超短脈沖閃光法測試厚度41.5微米純鎳薄膜在不同溫度下的熱擴散系數結果。圖中測試結果的相對誤差限為±5%，測試結果擬合曲線為為溫度的二次多項式方程。從結果可見，對于導熱系數或熱擴散率系數不是很高的一般金屬薄膜材料的測試，采用超短脈沖閃光法也可以得到很高的測試精度。
采用超短脈沖閃光法測試厚度25.0微米滲碳聚酰亞胺薄膜在不同溫度下的熱擴散系數結果。圖中測試結果的相對誤差限為±3%，測試結果擬合曲線為為溫度的二次多項式方程。從結果可見，對于導熱系數或熱擴散率系數不是很高的非金屬薄膜材料的測試，采用超短脈沖閃光法也可以得到很高的測試精度。

六、技術資料

（1）2018年 質子交換膜燃料電池氣體擴散層厚度方向導熱系數測試方法研究

Research on Through-Plane Thermal Conductivity Test Methods of Gas Diffusion Layer for Proton Exchange Membrane Fuel Cells

（2）2020年 激光閃光法標準測試規范——不同脈沖加熱能量下熱擴散系數測試的外推法

Standard Test Practice for Laser Flash Method Extrapolation Method for Thermal Diffusivity Test under Different Pulse Heating Energy

（3）2020年 鋰離子電池熱性能評價：電池材料導熱系數測試方法研究

Thermal Performance Evaluation of Lithium Ion Battery - Research on Thermal Conductivity Testing Method of Battery Material