應用小站 | 頻域熱反射法測量納米材料的熱導率

更新時間：2025-09-01

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納米材料是現代關鍵技術的重要組成部分，廣泛應用于納米電子學、電池技術、醫療技術和能源工業等領域。其的物理特性使傳統材料無法實現的創新應用成為可能。納米材料的顯著特性之一是熱導率。由于其空間維度的縮減，熱導率表現往往與塊體材料截然不同。這一特性為多個領域開辟了新機遇，例如提升熱管理系統效率、開發熱電材料，以及實現高性能組件的熱絕緣。

在材料科學領域，有多種已確立的測量熱擴散率的方法。例如，激光閃射法應用廣泛，且能快速得出結果。在這種方法中，樣品的下表面由短激光脈沖加熱，然后隨時間記錄上表面產生的溫度分布情況，該方法能提供有關熱擴散率的信息。這種方法非常適合用于致密樣品，但在測量納米結構材料時卻存在局限性，因為即使對于絕緣材料，由于樣品厚度很小，延遲溫升的檢測時間在計量方面仍是一個挑戰。

另一種方法是平板裝置法，該方法使用固定熱源來測定樣品內部的熱流。然而，為了排除界面影響，它需要較大的樣品厚度，這同樣不適用于納米材料。熱線法和熱盤法也存在同樣的問題。在這些方法中，熱源與樣品直接接觸，由于接觸熱阻可能會導致測量誤差。因此針對納米材料，需要采用更為精細和精確的測量技術，以獲取可靠、可重復且貼合實際應用的數據。

BACKGROUND INTRODUCTION

一、測試方法原理

3ω法、拉曼光譜法、時域熱反射法（TDTR）和頻域熱反射法（FDTR）是納米材料熱導率測量中常用的技術，它們各有原理和適用場景，本文主要介紹林賽斯 TF-LFA L54 頻域熱反射法測量納米材料的熱導率。

核心原理:

頻域熱反射法是一種在頻域內對薄膜熱性能進行非接觸式表征的測量技術。該方法利用熱反射效應構建一個高靈敏度的溫度計，通過監測樣品的反射率來檢測其表面的溫度變化。檢測時使用波長為532nm的連續激光（探測激光），同時使用不同波長（405nm）的調制泵浦激光進行加熱。局部加熱會引起反射率的變化，熱激發與檢測之間的相位滯后是通過鎖相放大器測量的。利用熱擴散傳輸模型對頻域中的響應進行建模，可以確定熱導率、體積熱容、熱擴散率、傳熱效率和邊界熱導率。在樣品表面頂部沉積一層薄薄的金屬換能器層（厚度為60-70nm），以提高反射率的溫度系數（dR/dT），同時降低激光在材料中的穿透深度。

TESTING METHOD PRINCIPLE

二、應用案例

如下圖所示，采用林賽斯 TF-LFA L54 對金剛石、二氧化硅等五種納米材料的熱導率進行了測量，結果顯示，該五種納米材料熱導率的測量值與文獻值均具有較好的一致性，證明了 TF-LFA L54 測量系統在納米材料熱性能表征中的準確性和可靠性。

APPLICATION CASE

三、總結

熱導率是材料科學中的一個關鍵因素，精確測量熱導率對于材料科學研究、工程應用開發、能源技術革新及工業質量控制等多個領域至關重要。然而對于納米材料而言，由于其小體積、異質結構和特殊界面效應，使得傳統熱性能測量方法難以直接應用，這給納米材料熱導率的測量帶來了特殊的技術挑戰。頻域熱反射法是一種在頻域內對薄膜熱性能進行非接觸式表征的測量技術，該方法無需提供材料的熱容和密度，允許對材料進行各項異性（面間和面內方向）測量，是解決納米材料熱導率測量難題的有效方法。