超薄石墨片的导热性能测试

本文介绍了利用激光法测试导热系数原理，并通过In-plane 测量模式，对高导热石墨薄片进行有效测量的方法，这对微米级超薄石墨片的导热性能测试有很好的借鉴作用。

图1. In-plane 测量模式原理示意图。

随着电子产品升级换代的加速和高集成、高性能的迷你电子设备散热管理需求的日益增长，石墨材料的散热技术得到了广泛深入的研究。GTS 导热石墨材料(Thermal Flexible Graphitesheet)的化学成分主要是碳元素，碳元素虽为非金属元素，却有金属材料的导电、导热性能，以及化学稳定性及润滑性。因此，导热石墨在电子、通信、照明、航空及国防军工等许多领域都得到了广泛应用。

图2. In-plane 支架放置样品示意图。

In-plane 测量模式

本文采用导热仪LFA447 中的Inplane模式进行了样品薄片水平方向导热性能的测试(如图1 所示)。一束激光能量照射到样品下表面范围较小的中心区域，该能量在样品内部沿着两个方向传导：一是垂直向上方向，二是水平方向。沿垂直方向直接传导的中心区域能量会被样品上方的样品支架盖子所遮挡，因此不能被红外检测器检测到;而水平方向传递的能量经过一段时间的传导以后，经过样品支架盖子的镂空区域出来，能被红外检测器检测到，所以红外检测器检测得到的信号是经过了平面传导一段距离后的那部分激光能量(沿垂直方向传导的影响可通过模型进行修正)。通过耐驰特有的In-plane 数学模型对测量结果进行拟合分析，我们能准确地计算材料平面方向的热扩散系数。

图3. 样品垂直叠加示意图。

石墨薄片径向测试

为了验证In-plane 模式测试结果的准确性，我们将石墨薄片样品在平面上逐片切开后，将薄片分别竖起来整齐叠加排列在下面的方形样品支架中，再将两个端面在细砂纸上打磨平整，得到一块石墨径向测试的样品。对该样品采用垂直方式进行测试直接得到径向的导热系数，若该方式(下称为Laminate 方式)得到的结果和In-plane 方法得到的结果接近或相同，即可证明In-plane 模式的准确性。

实验结果

石墨薄片的厚度方向导热性能测试石墨薄片的厚度方向的测试结果如图4 所示，室温25℃下的热扩散系数为3.944 mm2/s。将该热扩散系数、以及材料的比热数据(使用DSC 测得)链接至材料的属性表中，再以In-plane 方式进行测试，同时使用“In-plane 各向异性+ 热损耗”模型计算水平方向的热扩散系数。

图4. 石墨片垂直方向测试结果。

图5. In-plane 径向测试结果。

图6. Laminate 径向测试结果。

径向导热性能测试(In-plane 方式)从图5 中可看出，In-plane 模式测试得到的材料在25℃下热扩散系数为242.5 mm2/s，导热系数为214.9 W(/ m*K)。同时，我们按照前文所述的特殊制样方法，以常规单层模式对石墨薄层的径向导热性能进行了验证性的测试。验证性测试(Laminate 方式)石墨薄膜的Laminate 径向测试结果如图6 所示：25℃下热扩散系数为227.0 mm2/s，导热系数为201.2 W(/ m*K)。

分析与讨论

我们将两种模式的水平方向测试结果进行对比，结果如表1 所示。

表1. 两种测试方法结果对比

实验结果表明：两种模式的测试结果较为吻合，若以Laminate 模式作为真值(单层常规计算模型具有更高的准确性，通常可达到3%)，则In-plane 模式的偏差仅为6%，考虑到这一测试方法与计算模型的特殊性，已经具备了较高的准确性和可靠性。在样品制备方面，In-plane 模式又有着Laminate 方式所不能代替的便利性，这也为各向异性的薄膜测试提供了较好的测试方法。

此外，In-plane 的应用不仅限于各向异性薄片材料的测量，对于一些因厚度方向传热时间极短而无法使用常规方法测量热扩散性能的微米级高导热薄膜材料，若该样品为各向同性(即水平方向导热性能与垂直方向相同)，则也可使用In-plane 的径向测试代替垂直方向测试，以获取样品的热扩散与导热系数。

来源：实验与分析