该TET(瞬态电热)技术是开发测量固体材料的热扩散率的有效途径。
在TET(瞬态电 – 热)的技术是开发来测量固体材料的热扩散率,包括导电,半导电或不导电的一维结构的有效方法。这种技术拓宽材料(导电和非导电)的测量范围,提高了精确度和稳定性。如果样品(特别是生物材料,诸如人的头发,蜘蛛丝,和蚕丝)是不导电的,但将涂覆有金层,使电子导电。可以在数据处理过程中被减去寄生传导和热扩散率的辐射损失的效果。那么真正的热导率可以计算基于体积的比热(ρCP),它可以从校准时,非接触式光热技术或分别测量密度和比热来获得给定的值。在这项工作中,人的头发样本是使用d,来说明如何设置该实验中,处理实验数据,并减去寄生传导和辐射损失的效果。
在TET技术图1是开发来测量固体材料的热扩散率,包括导电,半导电或不导电的一维结构的有效方法。在过去,单丝3ω方法2-4和微制造装置的方法5-9已经开发了在微/纳米尺度来衡量的1维结构的热性能。为了拓宽材料(导电和不导电)的测量范围,提高了精度和稳定性,瞬态电热(TET)技术已发展为微/纳米线的热物性的表征。该技术已成功地用于自由站立微米厚的聚(3 -己基噻吩)薄膜10的热特性,薄膜的锐钛矿相TiO 2纳米纤维11,单壁碳纳米管1,微/ submicroscale由聚丙烯腈导线12,和蛋白质纤维。消除(如果样品是涂有一层金,使其电子导电)和辐射损失寄生传导的影响后,实际的热扩散率可以得到。那么真正的热导率可以计算基于体积的比热(ρCP),它可以从校准时,非接触式光热技术,或者分别测量密度和比热来获得一个给定的值。
在实验过程中,三个步骤[步骤2),3)和5)]是用于精确地表征热性能的成功很关键。步骤2)和3),备受关注需要在施加银膏只在样品电极接触支付。这是很容易污染的悬浮样品用银膏,和热性质将增加,如果发生这种情况。因此,在步骤3)中,检查样品与显微镜仔细,如果任何污染,银膏施加或延伸至悬浮样品被注意到的,一个新的样本需要进行的实验制备。
当式(10)简化为式(11)中,假定该实验是在真空室中以非常低的压力(1-3毫乇)进行的,所以该气体传导效果是微不足道的。做了一系列的测试在不同的压力后,可以确认的是,在公式10中,气体的行为离子系数 h正比于压力p为h =γP。系数γ是关系到一个叫做热协调系数反映的能量耦合/交换系数,当气体分子撞击材料表面参数。γ可以计算为ξπ2DρcP /(4L 2)其中,ξ是斜率对压力的热扩散系数γ的变化从样品到样品。该气体传导系数可以强烈影响,在TET表征该材料的表面结构和空间配置在腔室中。步骤5),进行实验在非常低的压力(1-3毫托)将确保这个复杂的气体传导效应可以忽略不计。
通过这种技术测量的样品的表面发射率(ε),也可以计算无线TH基于体积的比热(ρCP),它可以从校准获得,非接触式光热技术或13-15分别测量密度和比热的给定值。减去寄生传导的影响后,在图6所示的热扩散率(α+实弧度 )仅具有辐射损失的影响, 。这是很容易知道:
(13)
这里波 0为室温,L被测样品的直径,并且D中的样品的直径。
有在TET技术的一些局限性。一,特性时间ΔtC为日ermal运输 样品,相当于0.2026 L 2 /α1,应该比上升时间电流源(约2微秒)大得多。否则,电压变化的精度将会显著影响。因此,它要求样品长度 L不宜太小或热扩散系数α应该不会太大。第二,将样品的温度将约20-30°的实验上升。在此范围内,样品的电阻应该具有对温度的线性关系。这是因为,在理论背景的一部分,它是已知的测得的电压的变化是固有地关联到该样品的温度变化。如果样品的电阻值不必温度成线性关系,电压变化不能忍受的温度变化。第三,将样品的电压应具有线性关系的直流电流在实验期间喂食。这意味着,在一定的温度时,电阻也不会改变的直流电流的变化,当。这是众所周知,半导体就没有这个属性。
最后,该TET技术是一种非常有效和有力的方法来测量各种材料的热性能。对于相同的材料,只是测试两个样品具有不同的长度各两次,材料,如热扩散系数,导热性,和表面发射率(如果ρCp被给出)的所有重要的热性能,可被表征。
The authors have nothing to disclose.
支持这项工作由海军研究办公室(N000141210603)和陆军研究办公室(W911NF1010381)深表感谢。来自美国国家科学基金会(CBET-0931290,CMMI-0926704,和CBET-0932573)的部分支持这项工作也承认。
Digital Phosphor Oscilloscope | Tektronix | DPO 3052 | |
Sputter Coater | Denton Vacuum | DESK V | |
AC and DC Current Source | KEITHLEY | Model 6221 | |
Laboratory Microscope | Olympus | BX41 | |
Dual Stage Rotary Vane Vacuum Pump | Varian | DS102 | |
Vacuum Chamber | Huntington Mechanical Laboratories | Customized Product | The pressure in the chamber should be as low as 1-3 mTorr when working with the vacuum pump |
Colloidal Silver Liquid | Ted Pella | 16031 |