基于柔性传感器的热物性测量方法研究

论文总字数：32012字

摘 要

关键词：3ω系统 热导率 Kapton薄膜 Matlab

Research in 3ω method for thin-film thermal conductivity determination

02012234 Li Zhihan

Supervised by Wang Jianli

Abstract： The 3ω method has been proven to very useful for determining the thermal conductivity of thin films and their substrates.Several simplifications are often used in determining the thermal conductivity of the films based on the experimentally measured 3ω signal.These simplifications，however，have limited range of applicability in the stage of experiment just.In the world，we present a detailed analysis and mathematical modeling of the 3ω method applied for different experimental conditions.Effects considered include the finite substrate thickness，anisotropic nature of the film and substrate thermal conductivity，the film-substrate thermal property contrasts，the effect of heat capacitance of the heater，and the effect of thermal boundary resistance.Several experimental results are analyzed using the models presented.This work shows that 3ω method can be extended to a wide range of sample conditions,with anisotropic conductivities in both the substrate and the film，and with small film-substrate conductivity contrast. Experimental instrutment including a signal generator called 33220A，a lock-in amplifiers 7265DSP，a variable resistance box and so on are trained in use of the experiment.Data analysis is needed to be used in the experiment through MATLAB to determine the thermal conductivity.In the end，More correct analysis can be got by the way ofleast square method，which is conductive for me to ensure the practicability of 3ω method.

Key words: 3ω method thermal conductivity Kapton thin film MATLAB

目 录

目录

摘要…………………………………………………………………………………………………I

Abstract …………………………………………………………………………………………II

第一章 绪论 1

1.1 课题背景和意义 1

1.2 3ω测量方法研究现状 2

1.3 Kapton薄膜的介绍 3

1.4 研究目的和研究内容 4

1.4.1研究目的 4

1.4.2研究方法 4

第二章 理论基础 6

2.1测量原理和公式探究 6

2.2关键问题解析 8

2.2.1柔性传感器和-样品接触热阻 8

2.2.2样品热导率确定方法 9

2.2.3测量频率范围的选取方法 9

第三章 3ω实验 11

3.1实验平台的组成与优化 11

3.1.1实验系统的组成 11

3.1.2夹紧装置的设计与加工 12

3.2柔性传感器的制作 13

3.2.1柔性传感器的制作工艺 13

3.2.2柔性传感器的尺寸优化 14

3.3实验仪器 18

3.3.1实验仪器组成 18

3.3.2实验仪器的操作方法 18

3.4实验样品 19

3.5实验数据处理 20

3.5.1实验系统校准 20

3.5.2实验数据分析 21

3.6不确定性分析 23

第四章 总结 24

4.1实验结论 24

4.2总结与展望 24

4.2.1毕设总结 24

4.2.2展望 25

致谢 26

参考文献 27

附件 28

基于柔性传感器的热物性测量方法研究

第一章 绪论

1.1 课题背景和意义

1.1.1 课题背景

对各式各样常见材料，比如不锈钢、铝块和PMMA等，或先进材料，比如很多高分子以及纳米材料的热物性进行准确的编排和测量探究一直以来是影响材料或者仪器改善及优化结构的至关重要瓶颈问题。当今现状，对材料热物性精确度的要求尤其重要，更是由于一些纳米的微加工、一些冷门材料对于整个社会某个领域的作用愈演愈烈，以及当前社会对各种微型科学技术的愈加重视。基于柔性传感器的3ω的测量方法应运而生，这种方法不仅仅对于一些常规的材料的热物性的测量，有着检验作用，更甚的是3ω法作为一种新兴的测量方法，适用于它的材料种类之广泛难以想象，覆盖了轻工业、食品业、航空材料等众多领域，本文将选取一种常见的参考样品来通过3ω法测量后，根据现有数据的相对比较，来确定及巩固3ω测量方法的准确性，其次再通过此方法来测取一种未知样品的热物性参数，一方面便于使用，另一方面，这种材料在当前社会也起到了不可或缺的作用，因此其热导率的研究显得尤为重要。

在这里要着重说明的是，目前在各大实验室广泛使用的3ω技术是用3ω加热器或者传感器来靠近试样（所测的样品）表面，这种传统的方式一方面操作较为繁琐，所以本次所探究出来的新型的3ω测量方法是基于一个独立的传感器。在测量过程的展示中，传统的直线¬物理观察和提取样品的热导率被曲折的温度响应曲线的新传感器代替。此测量方法具有高度的准确度和实用性，所以实验结果很好地符合计算值表明。

当前连接式技术主要表现为在各种热门或者冷门的材料中，有些非常规的材料就需要特定的技术测量，主要分为:激光闪光法（微米厚的薄膜测量）、光热反射法、保护热板法（纳米孔材料测量）、Hot disk法（纳米流体测量）以及直流通电加热法（用于纳米薄膜测量）。从上述可以看出，基于谐波探测的3ω方法在很多方面，尤其是在测量材料的广度上面，已经远远的超过了传统的测量方法。但是，在工艺制作方面，3ω的测量方面也存在很多的劣势，在一些特殊的样品，例如一些存在间隙的表面不平整的木屑，这种方法并不能准确地测出相应的热导率。也正是这个短板，这个测量方法不能走出实验室。对3ω技术的改善和应用拓展能导致3ω法仪器化的实现，如果能够实现的话，将会为人类进步的各大领域提供无穷的发展空间，比如航天航空、材料检测、建筑建造等。

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