论文部分内容阅读
薄膜材料广泛应用于微电子芯片，大规模集成电路，微机械、微器件等领域。在薄膜材料的使用过程中，热导率和热膨胀等热物理性能往往至关重要，但目前尚没有能够满足薄膜热物性测试需要的商业仪器产品。本论文工作中，在科学院仪器研制项目的支持下研制了一套薄膜热物性多功能综合测试仪，并利用建立的仪器设备开展了一些薄膜材料的热物性研究工作。
热物性多功能综合测试仪在一套设备上实现了薄膜热扩散率和热膨胀两个热物性参数的测量。其中薄膜热扩散率测量采用激光脉冲法，用8ns激光器和响应速度为40ns的碲镉汞(MCT)探测器以及500M带宽的示波器作为信号采集终端，具备了快速加热，快速探测的能力。该仪器能够实现包括金属、非金属、高分子材料在内的各种薄膜材料在-50℃～200℃之间的热扩散率测量，并可通过数学处理能够获得亚微米尺度涂层的热扩散率，经检验，系统的测量误差小于4％。热膨胀测量采用CCD(chargecoupled device)非接触法，使用线阵CCD(光敏元间距4.7μm)作为图像测量器件，配合30倍的光学放大系统并对信号进行插值处理，可达到0.016μm的分辨率。使用特殊设计的试样架，既能保证薄膜试样在测试过程中保持平展，又能使薄膜在几乎不受外力的情况下自由膨胀。该仪器能在-140℃～200℃之间对各种薄膜材料的热膨胀进行测量，经检验，测试误差小于5％。
对聚酰亚胺/纳米二氧化硅(PI/SiO2)复合材料薄膜的热物性研究发现：在SiO2添加量小于8％Wt时，PI/SiO2复合材料薄膜热扩散率随着添加量的增加而减小；当添加量高于8％Wt时，添加的SiO2使材料的热扩散率增加。添加SiO2能使PI/SiO2复合材料薄膜的热膨胀系数(CTE)下降，特别是在添加量较小的时候，作用非常明显，添加8％Wt的使室温时的CTE从49.9×106/℃下降到25.4×106/℃。得出了一个能对CTE实验结果进行描述的经验公式：α=α0-αα0×(1-exp(-VSiO2/b))。
高密度聚乙烯/多壁纳米碳管(HDPE/MWCNT)复合材料是一种良好的正温度系数(PTC)材料。对HDPE/MWCNT复合材料薄膜的热导率研究发现，MWCNT在HDPE中形成的导热网络对材料的传热性能有重要影响。当MWCNT体积分数达到临界值VC1时，复合材料内开始有导热网络生成，此时随着MWCNT添加量的增加，导热网络迅速增加，热导率升高很快；当MWCNT体积分数进一步增大到临界值VC2时，形成完整的导热网络，此时再增加复合材料内的MWCNT只起增加导热网络分支结构的作用，热导率随MWCNT添加量增加而增加的速度变得相对缓慢。在HDPE/MWCNT PTC复合材料的工作温度范围内，HDPE/MWCNT复合材料具有比其他温度时大得多的热导率，证明HDPE/MWCNT PTC复合材料具有良好的温度响应性能。
对金属在脉冲激光作用下的传热行为进行的研究发现：采用脉冲宽度为8ns的Nd:YAG激光作为热源，在多种金属薄膜中观察到不同于正常热传导过程的快速传热现象。此现象无法根据现有的电子非平衡传热理论予以解释。