本文介紹了利用激光法測試導熱系數(shù)原理，并通過In-plane 測量模式，對高導熱石墨薄片進行有效測量的方法，這對微米級超薄石墨片的導熱性能測試有很好的借鑒作用。

圖1. In-plane 測量模式原理示意圖。

隨著電子產(chǎn)品升級換代的加速和高集成、高性能的迷你電子設(shè)備散熱管理需求的日益增長，石墨材料的散熱技術(shù)得到了廣泛深入的研究。GTS 導熱石墨材料(Thermal Flexible Graphitesheet)的化學成分主要是碳元素，碳元素雖為非金屬元素，卻有金屬材料的導電、導熱性能，以及化學穩(wěn)定性及潤滑性。因此，導熱石墨在電子、通信、照明、航空及國防軍工等許多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。

圖2. In-plane 支架放置樣品示意圖。

In-plane 測量模式

本文采用導熱儀LFA447 中的Inplane模式進行了樣品薄片水平方向?qū)嵝阅艿臏y試(如圖1 所示)。一束激光能量照射到樣品下表面范圍較小的中心區(qū)域，該能量在樣品內(nèi)部沿著兩個方向傳導：一是垂直向上方向，二是水平方向。沿垂直方向直接傳導的中心區(qū)域能量會被樣品上方的樣品支架蓋子所遮擋，因此不能被紅外檢測器檢測到;而水平方向傳遞的能量經(jīng)過一段時間的傳導以后，經(jīng)過樣品支架蓋子的鏤空區(qū)域出來，能被紅外檢測器檢測到，所以紅外檢測器檢測得到的信號是經(jīng)過了平面?zhèn)鲗б欢尉嚯x后的那部分激光能量(沿垂直方向傳導的影響可通過模型進行修正)。通過耐馳特有的In-plane 數(shù)學模型對測量結(jié)果進行擬合分析，我們能準確地計算材料平面方向的熱擴散系數(shù)。

圖3. 樣品垂直疊加示意圖。

石墨薄片徑向測試

為了驗證In-plane 模式測試結(jié)果的準確性，我們將石墨薄片樣品在平面上逐片切開后，將薄片分別豎起來整齊疊加排列在下面的方形樣品支架中，再將兩個端面在細砂紙上打磨平整，得到一塊石墨徑向測試的樣品。對該樣品采用垂直方式進行測試直接得到徑向的導熱系數(shù)，若該方式(下稱為Laminate 方式)得到的結(jié)果和In-plane 方法得到的結(jié)果接近或相同，即可證明In-plane 模式的準確性。

實驗結(jié)果

石墨薄片的厚度方向?qū)嵝阅軠y試石墨薄片的厚度方向的測試結(jié)果如圖4 所示，室溫25℃下的熱擴散系數(shù)為3.944 mm2/s。將該熱擴散系數(shù)、以及材料的比熱數(shù)據(jù)(使用DSC 測得)鏈接至材料的屬性表中，再以In-plane 方式進行測試，同時使用“In-plane 各向異性+ 熱損耗”模型計算水平方向的熱擴散系數(shù)。

圖4. 石墨片垂直方向測試結(jié)果。

圖5. In-plane 徑向測試結(jié)果。

圖6. Laminate 徑向測試結(jié)果。

徑向?qū)嵝阅軠y試(In-plane 方式)從圖5 中可看出，In-plane 模式測試得到的材料在25℃下熱擴散系數(shù)為242.5 mm2/s，導熱系數(shù)為214.9 W(/ m*K)。同時，我們按照前文所述的特殊制樣方法，以常規(guī)單層模式對石墨薄層的徑向?qū)嵝阅苓M行了驗證性的測試。驗證性測試(Laminate 方式)石墨薄膜的Laminate 徑向測試結(jié)果如圖6 所示：25℃下熱擴散系數(shù)為227.0 mm2/s，導熱系數(shù)為201.2 W(/ m*K)。

分析與討論

我們將兩種模式的水平方向測試結(jié)果進行對比，結(jié)果如表1 所示。

表1. 兩種測試方法結(jié)果對比

實驗結(jié)果表明：兩種模式的測試結(jié)果較為吻合，若以Laminate 模式作為真值(單層常規(guī)計算模型具有更高的準確性，通常可達到3%)，則In-plane 模式的偏差僅為6%，考慮到這一測試方法與計算模型的特殊性，已經(jīng)具備了較高的準確性和可靠性。在樣品制備方面，In-plane 模式又有著Laminate 方式所不能代替的便利性，這也為各向異性的薄膜測試提供了較好的測試方法。

此外，In-plane 的應(yīng)用不僅限于各向異性薄片材料的測量，對于一些因厚度方向傳熱時間極短而無法使用常規(guī)方法測量熱擴散性能的微米級高導熱薄膜材料，若該樣品為各向同性(即水平方向?qū)嵝阅芘c垂直方向相同)，則也可使用In-plane 的徑向測試代替垂直方向測試，以獲取樣品的熱擴散與導熱系數(shù)。