[发明专利]一种谐波法水凝胶热导率测试装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于材料热导率测量技术领域，更具体地，涉及一种谐波法水凝胶热导率测试装置及方法。

背景技术

水凝胶是由包含大量水(70-99wt％)的交联聚合物网络所构成的宏观大分子材料。我们人体的主要成分就是一种水凝胶。水凝胶具有柔韧性好、机械性能可靠和生物相容等特性，因此被认为是制造新一代柔性/可穿戴电子器件的最佳材料。这方面有许多具有启发性的例子，比如基于离子水凝胶的可拉伸透明触摸屏，基于柔性水凝胶的可操纵智能导管尖端，用于应变传感器的双网络水凝胶光纤等。众所周知，电子器件的散热严重影响其性能和寿命。水凝胶的热导率直接影响其散热性能，因此测量水凝胶的热导率具有显著的现实意义。

本发明是基于谐波法(一种公认的热导率测量方法)设计而来的。20世纪初，Corbino首先发现向金属加热丝中通入角频率为1ω的交流电流后，金属线两端会由于焦耳自加热效应而产生角频率为3ω的交流电压，这一交流电压反映出了金属加热丝自身的热物性。由于测量中使用了角频率为3ω的谐波信号，基于这一原理的方法就被称为谐波法或者3ω法。但由于3ω电压非常微小(约是施加的1ω电压的千分之一)，其测量难度很大，这一技术长时间没有获得应用。之后随着锁相放大技术的发展，3ω电压才得以精确测量，这一方法也逐渐被人们所接受。20世纪80年代末期，Cahill等人首次提出基于该原理的测试体块材料热导率的斜率-3ω法。经过不断地发展，目前谐波法已经成功应用于体块、液体以及薄膜等材料热物性(包括热导率和比热容)的测量。

谐波法的基本工作原理可以描述如下：在体块样品表面镀上一根金属线，这根金属线将同时作为加热器和测温器。向这根金属线中通入角频率为1ω的交流电流，由于焦耳热，其内部会产生频率为2ω的热流。这一热流会通过样品扩散到环境中。扩散的难易程度与样品的热导率有关。样品热导率越高，热量扩散越容易，金属线的温升就会越低。对应于按2ω的角频率波动的热流，金属加热丝的温度也存在按2ω波动的分量。在一定的温度范围范围内，金属加热丝的电阻与温度成线性关系。因此金属加热丝的电阻也存在按2ω波动的分量。这一电阻分量和原来通入的1ω电流一起在金属加热丝两端产生了角频率为3ω的电压。由上面描述可知，这一电压反映了金属加热丝的温度波动幅度，温度波动幅度则反映了样品的热导率。因此可以通过测量金属线两端角频率为3ω的电压的幅值来测量样品的热导率。

在中国实用新型专利说明书CN201535761U中公开了一种具有独立探头的谐波法固体材料热物性测试装置。这种测试装置将独立探头放在两块相同待测样品之间构成三明治式结构。这种装置不仅能测量固体材料的热导率还可以测量接触热阻随压力的变化关系。但这个方法需要样品表面比较光滑来保证接触良好，并且热路中由于存在柔性覆盖膜，数据处理比较复杂。另外在中国实用新型专利说明书CN201041558Y中公开了一种谐波探测技术测量液体导热系数和热扩散率的装置。这种装置在待测液体内部布置了一定尺寸和形状带有绝缘层的微型加热丝，采用具有直流偏移分量的周期微弱电流加热，然后根据热波振动频率与温度变化的关系同时确定液体的导热系数和热扩散率等多个热参数。但是这个装置比较复杂，并且不适用于测量水凝胶这样的样品。

已有的谐波法具有不少优点。首先谐波法可以测量液体、体块、薄膜等多种形式的材料，测量范围广。另外谐波法由于整体温升小且作为探测器及测温器的金属加热丝也非常细小，其对辐射和对流均不敏感，这样就在很大程度上减少了这两项可能带来的误差。但现有的谐波法不适于测量水凝胶这样的含水量高的柔性材料，原因主要是很难将金属线镀在这类材料表面。另外现有的方法由于需要镀金属线或者用其他方法制作探测器，制作工艺复杂，成本比较高，且对样品有较多要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种谐波法水凝胶热导率测试装置及方法，可以简单且经济地利用谐波法来测量水凝胶的热导率。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种谐波法水凝胶热导率测试装置，其特征在于，包括探测器、精密电阻箱、信号发生器、电压跟随器和锁相放大器，其中：

所述探测器包括容器、支撑板、电极和金属加热丝，所述支撑板搁置在所述容器的顶端，所述电极安装在所述支撑板上，并且该电极包括多根铜棒，每根铜棒的下端均伸入所述安装在所述容器内，以用于与容器内的水凝胶接触，并且所有铜棒的下端通过所述金属加热丝连接在一起；