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原文传递测量应变下薄膜材料导热系数和热扩散系数的方法和装置

专利名称：	测量应变下薄膜材料导热系数和热扩散系数的方法和装置
摘要：	本发明公开了一种测量应变下薄膜材料导热系数和热扩散系数的方法和装置，样品通过张紧机构张紧，样品、张紧机构和驱动机构放入真空腔中，激光加热样品，通过红外摄像头获得样品在固定应变下从开始加热至达到稳态的全过程温度分布图，将薄膜视为二维传热，对实验图片进行处理，得到薄膜表面各像素点温度，将薄膜按照像素点的尺寸划分为若干个微元，建立稳态和瞬态的热平衡方程，求解出不同温度下薄膜的导热系数和热扩散系数，驱动机构驱动样品产生不同的应变，求出在不同应变下样品的导热系数和热扩散系数随温度变化的情况。本发明操作方便，测量准确性高，可以得到不同应变下样品的导热系数和热扩散系数随温度变化的情况。
专利类型：	发明专利
申请人：	武汉大学
发明人：	岳亚楠;方宇欣;高建树;顾家馨;邓书港;谢诞梅
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T00:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T00:00:00+0805
申请号：	CN201911399938.4
公开号：	CN111060555A
代理机构：	湖北武汉永嘉专利代理有限公司
代理人：	程力
分类号：	G01N25/20;G01N25/18;G;G01;G01N;G01N25;G01N25/20;G01N25/18
申请人地址：	430072 湖北省武汉市武昌区八一路299号
主权项：	1.一种测量应变下薄膜材料导热系数和热扩散系数的方法，其特征在于：包括步骤， S1、将样品铺开且通过两端的张紧机构张紧，将样品、张紧机构和驱动机构放入真空腔中并密封抽真空，使得仅考虑热传导和热辐射； S2、用连续激光加热真空腔内的样品，通过红外摄像头获得样品在固定应变下从开始加热至达到稳态的全过程温度分布图； S3、由于薄膜的厚度远小于边长，将薄膜视为二维传热，对实验图片进行处理，得到薄膜表面各像素点温度，将薄膜按照像素点的尺寸划分为若干个微元，从而得到固定应变下不同微元的温度值； S4、建立稳态和瞬态的热平衡方程，求解出不同温度下薄膜的导热系数和热扩散系数； S5、驱动机构驱动张紧机构，控制样品产生微小位移量Δx，样品产生不同的应变，根据步骤S2至S4求出在不同应变下样品的导热系数和热扩散系数随温度变化的情况。 2.如权利要求1所述的测量应变下薄膜材料导热系数和热扩散系数的方法，其特征在于：在步骤S4中，建立的稳态过程建立的瞬态过程其中，代表微元在x的负方向由于热传导流入的热量；代表微元在x的正方向由于热传导流入的热量；代表微元在y的负方向由于热传导流入的热量；代表微元在y的正方向由于热传导流入的热量；其中Δx和Δy分别代表微元在x方向和y方向的长度，λ(m，n)代表微元的导热系数，d代表样品的厚度，T(m-1，n)和T(m+1，n)分别代表微元在x方向前后两个单元的温度，T(m，n-1)和T(m，n+1)分别代表微元在y方向前后两个单元的温度； PΔxΔy代表激光加热流入该微元的热量，其中P为激光入射强度；代表微元上下表面与周围环境的辐射换热，其中ε是样品的发射率，σ是玻尔兹曼常数，T(m，n)代表微元的温度，T0代表环境温度，考虑到样品的上下表面与周围环境都有辐射换热，因此乘2；代表在时间Δτ内微元由于温度上升引发的内能变化，其中和分别代表微元在该时刻和后一时刻的温度，a代表薄膜材料的热扩散系数。 3.如权利要求1所述的测量应变下薄膜材料导热系数和热扩散系数的方法，其特征在于：在测量前，先对样品的发射率进行确定，利用热电偶测量样品表面的温度同时调整红外摄像头的发射率，直到红外摄像头所测的表面温度与热电偶测得的温度相同，此时的发射率即为样品的真实发射率。 4.一种测量应变下薄膜材料导热系数和热扩散系数的装置，其特征在于：包括带有透光窗的真空腔、密封伸入真空腔的激光探头、与激光探头连接的激光器、用于对于真空腔抽真空的抽气泵、面向透光窗拍摄真空腔内样品的红外摄像头、与红外摄像头连接的数据处理模块以及位于真空腔内的张紧机构和驱动机构，张紧机构用于将样品两端张紧，驱动机构用于驱动张紧机构控制样品产生微小位移。 5.如权利要求4所述的测量应变下薄膜材料导热系数和热扩散系数的装置，其特征在于：透光窗采用锗窗。 6.如权利要求4所述的测量应变下薄膜材料导热系数和热扩散系数的装置，其特征在于：张紧机构包括两对齐平且分别位于样品两端的热沉，每对热沉都从上下侧将样品端部夹紧并通过螺栓紧固。 7.如权利要求6所述的测量应变下薄膜材料导热系数和热扩散系数的装置，其特征在于：驱动机构包括导轨、齿条、电机和齿轮传动系，一对热沉位置固定，另一对热沉的下侧热沉滑动配合在导轨上、上侧热沉与齿条固定，电机通过齿轮传动系与齿条啮合，电机的电源线密封伸出真空腔与电源连接。 8.如权利要求7所述的测量应变下薄膜材料导热系数和热扩散系数的装置，其特征在于：齿轮传动系包括电机输出轴、设在电机输出轴上的小齿轮A、固定轴以及设在固定轴上的大齿轮B和小齿轮C，小齿轮A与大齿轮B啮合，小齿轮C与齿条啮合。 9.如权利要求8所述的测量应变下薄膜材料导热系数和热扩散系数的装置，其特征在于：电机为步进电机时，单次脉冲产生的样品拉伸量其中rA、rB和rC分别代表齿轮A、齿轮B和齿轮C的半径，θ0代表电机的步距角。 10.如权利要求4所述的测量应变下薄膜材料导热系数和热扩散系数的装置，其特征在于：激光探头倾斜入射样品。
所属类别：	发明专利