应用小站 | 频域热反射法测量纳米材料的热导率

更新时间：2025-09-01

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纳米材料是现代关键技术的重要组成部分，广泛应用于纳米电子学、电池技术、医疗技术和能源工业等领域。其的物理特性使传统材料无法实现的创新应用成为可能。纳米材料的显著特性之一是热导率。由于其空间维度的缩减，热导率表现往往与块体材料截然不同。这一特性为多个领域开辟了新机遇，例如提升热管理系统效率、开发热电材料，以及实现高性能组件的热绝缘。

在材料科学领域，有多种已确立的测量热扩散率的方法。例如，激光闪射法应用广泛，且能快速得出结果。在这种方法中，样品的下表面由短激光脉冲加热，然后随时间记录上表面产生的温度分布情况，该方法能提供有关热扩散率的信息。这种方法非常适合用于致密样品，但在测量纳米结构材料时却存在局限性，因为即使对于绝缘材料，由于样品厚度很小，延迟温升的检测时间在计量方面仍是一个挑战。

另一种方法是平板装置法，该方法使用固定热源来测定样品内部的热流。然而，为了排除界面影响，它需要较大的样品厚度，这同样不适用于纳米材料。热线法和热盘法也存在同样的问题。在这些方法中，热源与样品直接接触，由于接触热阻可能会导致测量误差。因此针对纳米材料，需要采用更为精细和精确的测量技术，以获取可靠、可重复且贴合实际应用的数据。

BACKGROUND INTRODUCTION

一、测试方法原理

3ω法、拉曼光谱法、时域热反射法（TDTR）和频域热反射法（FDTR）是纳米材料热导率测量中常用的技术，它们各有原理和适用场景，本文主要介绍林赛斯 TF-LFA L54 频域热反射法测量纳米材料的热导率。

核心原理:

频域热反射法是一种在频域内对薄膜热性能进行非接触式表征的测量技术。该方法利用热反射效应构建一个高灵敏度的温度计，通过监测样品的反射率来检测其表面的温度变化。检测时使用波长为532nm的连续激光（探测激光），同时使用不同波长（405nm）的调制泵浦激光进行加热。局部加热会引起反射率的变化，热激发与检测之间的相位滞后是通过锁相放大器测量的。利用热扩散传输模型对频域中的响应进行建模，可以确定热导率、体积热容、热扩散率、传热效率和边界热导率。在样品表面顶部沉积一层薄薄的金属换能器层（厚度为60-70nm），以提高反射率的温度系数（dR/dT），同时降低激光在材料中的穿透深度。

TESTING METHOD PRINCIPLE

二、应用案例

如下图所示，采用林赛斯 TF-LFA L54 对金刚石、二氧化硅等五种纳米材料的热导率进行了测量，结果显示，该五种纳米材料热导率的测量值与文献值均具有较好的一致性，证明了 TF-LFA L54 测量系统在纳米材料热性能表征中的准确性和可靠性。

APPLICATION CASE

三、总结

热导率是材料科学中的一个关键因素，精确测量热导率对于材料科学研究、工程应用开发、能源技术革新及工业质量控制等多个领域至关重要。然而对于纳米材料而言，由于其小体积、异质结构和特殊界面效应，使得传统热性能测量方法难以直接应用，这给纳米材料热导率的测量带来了特殊的技术挑战。频域热反射法是一种在频域内对薄膜热性能进行非接触式表征的测量技术，该方法无需提供材料的热容和密度，允许对材料进行各项异性（面间和面内方向）测量，是解决纳米材料热导率测量难题的有效方法。