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Flash DSC應(yīng)用新進展：表征微尺度材料的界面熱阻
引言圖1 芯片傳感器上樣品擺放的示意圖 1.測量樣品上下表面溫差
在Flash DSC芯片傳感器的樣品盤上，按照圖1所示的方式擺放樣品并進行升溫掃描測試，通過比較放置在薄膜樣品上方的銦顆粒和直接放置在芯片傳感器上銦顆粒的熔點差異，可以得知薄膜樣品的上下表面溫差。實驗結(jié)果表明，樣品的上下表面溫差與升溫速率呈現(xiàn)出線性關(guān)系（如圖2a所示），符合傅里葉熱傳導(dǎo)定律。 2.測量樣品的熱流值 
圖2 樣品上下表面溫差及熱流值隨升溫速率的線性變化關(guān)系 3.求算體系總熱阻和界面熱阻 根據(jù)傅里葉熱傳導(dǎo)定律中熱阻的定義，以上兩個線性變化的斜率之比，即為體系總熱阻。本項研究測試了三種不同厚度的尼龍66薄膜，研究結(jié)果如圖3所示，體系總熱阻和薄膜厚度之間呈現(xiàn)出很好的線性關(guān)系。將薄膜厚度外推至零，就可得到了薄膜樣品和芯片傳感器之間的界面熱阻為1.317×10-5 m2K/W。 對于厚度約為10微米的樣品，界面熱阻在總熱阻的貢獻約占30%，這說明在熱管理中，當薄膜材料的厚度達到10微米以下時，界面熱阻是一項不容忽視的重要因素。 4.獲得樣品的本體熱導(dǎo)率 圖3 體系總熱阻和薄膜樣品厚度的線性關(guān)系 https://doi.org/10.1016/j.tca.2023.179493. [1] J. Chen, X. Xu, J. Zhou, B. Li, Interfacial thermal resistance: Past, present, and future, Rev. Mod. Phys. 94 (2022) 025002. [3] K. Xie, Y. He, J. Cai, W. Hu, Thermal conductivity of Nylon 46, Nylon 66 and Nylon 610 characterized by Flash DSC measurement, Thermochimica Acta, 683 (2020), 178445.
準確地表征微尺度材料的界面熱阻，是實現(xiàn)高效熱管理的關(guān)鍵。迄今為止，能夠在微尺度測量固-固界面熱阻的方法都很依賴復(fù)雜而精密的實驗技術(shù)[1]。因此，迫切需要一種基于商用儀器的簡單方法，快速準確地表征微米級厚度薄膜材料的界面熱阻。
梅特勒托利多公司推出的Flash DSC（閃速示差掃描量熱儀）可對微米尺寸樣品實現(xiàn)超快升降溫掃描，并具有很高的分辨率，在表征微尺度材料的熱性能方面具有天然的優(yōu)勢。近日，南京大學(xué)胡文兵教授課題組在新開發(fā)的Flash DSC測量薄膜材料跨膜熱導(dǎo)率的方法[2]基礎(chǔ)上，又提出了同時表征微米厚度薄膜材料的界面熱阻和扣除界面影響的體熱導(dǎo)率的新方法。
相關(guān)研究結(jié)果以“Flash DSC characterization of thermal contact resistance and cross-plane thermal conductivity of micrometer-thin films ”為題發(fā)表于熱分析領(lǐng)域國際核心期刊Thermochimica Acta上。
測試要點
在升溫掃描過程中，儀器采集到的熱流值等于樣品質(zhì)量、比熱容和升溫速率的乘積。如圖2b所示，在本實驗中，樣品的熱流值和升溫速率呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。
在體系總熱阻對樣品厚度的線性變化關(guān)系中，斜率的倒數(shù)即為扣除界面熱阻之后樣品本體的熱導(dǎo)率0.32 W/m/K，比此前測得的0.25 W/m/K[3]更大一些，這是因為新方法扣除了界面熱阻的影響，修正了原先適用于較厚薄膜本體熱導(dǎo)率的測試結(jié)果。
論文詳情：
Kefeng Xie, Ying Cui, Xiaoning Ren, Yongxuan Chen, Jun Cai, Wenbing Hu, Flash DSC characterization of thermal contact resistance and cross-plane thermal conductivity of micrometer-thin films, Thermochimica Acta, 2023, 179493.
參考文獻:
[2] Y. He, X. Li, L. Ge, Q. Qian, W. Hu, Cross-plane thermal conductivity of thin films characterized by Flash DSC measurement, Thermochimica Acta, 677 (2019), pp. 21-25
?總結(jié)
綜上所述，本研究提出了一種基于Flash DSC的新應(yīng)用，實現(xiàn)了同時表征微米厚度薄膜樣品的界面熱阻和熱導(dǎo)率。這種測試方法簡單、準確，適用于界面熱阻相對本體熱阻不太大的情景，具體適用范圍有待于進一步探索。