Flash DSC跨界表征材料的熱導率

張建軍

河北師范大學分析測試中心，化學與材料科學學院，石家莊 050024

采用描述物質熱傳導能力的參數為熱導率。熱導率直接影響材料加工過程的工藝調節和產品器件質量。近年來，導熱材料在電子芯片、新能源汽車、網絡通信和人工智能等方面有越來越重要的應用，快速準確地表征材料的熱導率是一項很重要的工作。

傳統的導熱率測試研究方法主要分為穩態和瞬態技術，前者采用絕緣襯底上的金屬橋對樣品進行電阻加熱和溫度監測，其缺點是耗時長、對環境要求高、樣品需求尺寸大；后者通過快速擾動，監測溫度隨時間的瞬態變化，缺點是測試復雜，所測數據往往還需數學方法進行修正。

超快掃描量熱技術通過較小的樣品量在芯片傳感器上實現了較快的升降溫掃描速率和較精準的溫度控制，拓展了常規差示掃描量熱(DSC)技術在動力學研究領域的應用。其商業化設備梅特勒公司生產的Flash DSC通常采用銦顆粒的熔點進行設備的溫度校正。

近日南京大學胡文兵教授課題組根據此溫度校正實驗提出了一種測試材料熱導率的新方法，相關內容發表在Thermochimica Acta上1。對樣品底部的芯片傳感器進行加熱而獲得的不同升溫掃描速率βh，利用樣品上方銦的熔點和參比盤上銦的熔點之差ΔT，來反映樣品上下表面的溫差。由傅里葉熱傳導定律，樣品上下表面的溫差與垂直于薄膜表面方向的加熱速率成正比，由比例系數可測得樣品的熱導率。所測得的聚乙烯薄膜樣品的熱導率與采用其它方法測得的文獻報道值較為接近，證明了此方法的有效性。

采用Flash DSC方法測試材料的熱導率，僅需極小的樣品量，可對納米級重量和厚度尺寸的樣品熱導率進行有效表征和測量。本方法突破了傳統DSC測試方法的邊界，適用材料范圍廣泛，溫度范圍也可隨標樣而改變，將來有望進行低維材料、液體材料、取向材料和高導熱材料的測定，也可表征表界面的熱阻，具有較廣闊的應用前景。

樣品擺放位置圖和不同升溫速率的熔融曲線。