具有表面微结构的自悬浮多层复合薄膜材料热传导特性研究

Thermal scene generation components based on multi-layer micro/nano films has been widely used in the sytems for “hardware-in-the-loop” (HWIL) simulation experiments to test the infrared image devices. The spatial resolution, frame rate and temperature range of the infrared scene generator are highly related to the films ' thermal properties. Therefore, the thermal properties are very crucial for the component design and performance optimization. In our project, a microscale heat transfer theory and a non-contact measurment technique based on thermography are used to investigate the thermal properties of the composite thin films. By solving the Boltzmann transport equation of the phonon the relationships between thermal conductivity and film thickness, working temperatures are studied. A thermal conductivity model considering the in plane microstructure of the thin films is proposed. By means of SEM, the effects of the film preparation parameters on its thermal properties are investigated. At the same time, a non-contact measurement method based on infrared thermography is provided to measure the thermal conductivity of the self-suspended thin films in the temperature range from 300K to 500K, in order to verify and improve our theoretical models. The models and the measurement method studied by our project will promote the development of the functional devices based on thin films.

基于热传导理论的微纳米薄膜型器件已广泛应用于红外动态场景生成系统。所产生的红外场景的性能，如空间分辨率、帧频、温度等均与材料的热传导性能密切相关。因此薄膜热导率是此类薄膜型器件设计的重要参数。本项目拟从微观传热理论和实验测量方法两个方面对微纳米尺度薄膜的热传导特性进行研究。通过求解声子的Boltzmann输运方程研究薄膜材料热导率与薄膜厚度及工作温度的关系。通过建立微结构传热模型，分析薄膜面内微米尺度结构对热导率的影响。此外，结合扫描电镜等微观表征手段研究薄膜的制备工艺对薄膜微结构及传热特性的影响。在实验测量上，提出了一种利用红外热像的非接触式自悬浮薄膜热导率测量方法，以实现300-500K温区的多层复合薄膜热导率测量。从而验证理论计算的正确性，实现对理论模型的改进和优化。进而为微纳米薄膜型器件的特性优化提供理论依据和技术手段。

基于热传导理论的微纳米薄膜器件已在红外动态场景生成系统中获得应用。所生成红外场景的重要性能参数，如空间分辨率、帧频、温度等均与薄膜的热物性密切相关，是此类薄膜型器件设计的重要参数。本项目从微观传热理论和实验测量方法两个方面对微纳米尺度薄膜的热传导特性进行了深入研究。.在理论上，建立了聚合物分子模型，通过求解运动声子的频率分布得到了不同分子链结构聚合物的热导率。理论计算结果表明，加入HO短链可将聚酰亚胺材料的热导率由0.2W/m/K提高至0.7W/m/K。进而，在分子量级尺度上建立了空间三个轴向含有不同数量聚合物分子的盒子结构，理论分析了纳米尺度下材料热导率与尺寸的关系；随着分子数量的增加，热导率逐渐增大并趋于稳定。而在微纳加工尺度上，通过建立准一维和二维微结构传热模型,大大降低了计算量，有效分析了面内微米尺度结构对薄膜面内及厚度方向热导率的影响。.在实验测量上，提出了一种利用红外热成像的非接触式自悬浮薄膜面内方向热导率测量方法。在研究中，实验制备了厚度200nm~1μm的聚酰亚胺薄膜并对其热导率进行了测量。测量结果表明，随着厚度增加薄膜的面内热导率逐渐增大；此外，还对具有面内微结构薄膜的面内热导率进行了测量，验证了不同薄膜面内微结构对热导率影响理论的正确性。本项目还提出了一种基于频域光热辐射的非接触式纳米薄膜厚度方向热导率测量方法。所搭建实验装置可实现200nm厚度单层及多层复合薄膜厚度方向热导率的测量，测量不确定度约为10%。两套实验装置均可在300-500K温区对样品进行精确控温，为研究微纳薄膜热物性随温度的变化提供了技术手段。.利用以上理论及实验成果，我们对红外动态场景生成芯片的材料和微纳结构进行了优化设计，在帧频不变的条件下，使空间分辨率从6lp/mm提升至了12.5lp/mm。.我们认为，本项目研究成果可为微纳米薄膜型器件的特性优化提供理论依据和技术支撑。