基于稳态电热法的石墨烯膜导热系数的精确可靠测量

摘要

高导热石墨烯膜是近年来备受关注的高功率电子器件用散热材料。导热系数作为一项评价其基础性能的重要参数，实现其精确测量对于理解材料基础物性、优化制备工艺以及实际工程应用都具有重要意义。然而，现有的商业化导热测试设备，囿于测试原理、样品尺寸等因素，难以同时实现高效、准确、可靠的测量。开发操作简便、测试快捷、精度优异、可跨尺度的测量方案仍是一个重要挑战。本文提出基于稳态电热法的石墨烯膜导热系数的精确可靠测量方法，结合实验测试与仿真模拟，基于原理分析、测试优化、数据处理等三个方面，显著提升导热测量的精度与效率。测量结果的准确性受到热损校正、样品尺寸、系统设计以及数据处理等四方面因素影响。实验结果表明，热辐射和热对流引起的热损失会影响样品的温度分布和测量结果，可通过控制样品尺寸和温升来控制。对实验数据进行筛选和预处理也可以有效提高测量精度。通过实验与仿真结合，我们提出了可行的操作指南与标准化的测试方案。通过优化，该方法测量误差低于3.0%，不确定性降至0.5%，响应时间达毫秒级。本工作为准确评估材料导热性能提供有益指导，也为导热材料的热管理工程应用提供技术支撑。

关键词

石墨烯膜 / 导热系数 / 稳态技术 / 有限元模拟

基金资助

国家自然科学基金(52272046,52090030,52090031,51973191,52122301,52303354); 浙江省自然科学基金(LR23E020003); 中央高校基本科研业务费专项资金(226-2024-00074,226-2023-00023,226-2023-00082,2023QZJH26); 山西浙大新材料与化工研究院(2022SZ-TD011,2022SZ-TD012,2021SZFR004)资助项目