Tet (forbigående elektrotermiske) teknik er en effektiv metode udviklet til at måle den termiske diffusivitet af faste materialer.
Tet (forbigående elektro-termiske) teknik er en effektiv metode udviklet til at måle den termiske diffusivitet af faste materialer, herunder ledende, halvledende eller ikke-ledende en-dimensionelle strukturer. Denne teknik udvider målingen omfanget af materialer (ledende og-ledende) og forbedrer nøjagtighed og stabilitet. Hvis prøven (især biomaterialer, såsom humant hovedhår, spider silke og avlen silke) ikke er ledende, vil det være overtrukket med en guld lag for at gøre den elektronisk ledende. Effekten af parasitiske varmeledning og radiative tab på den termiske diffusivitet kan fratrækkes under databehandling. Så den reelle varmeledningsevne kan beregnes med den givne værdi af volumenbaseret specifik varme (ρc p), som kan fås fra kalibrering, noncontact foto-termisk teknik eller måling af densitet og specifik varme separat. I dette arbejde, menneskelige hoved hårprøver er brugd for at vise, hvordan du opsætter eksperimentet, behandle eksperimentelle data, og trække effekten af parasitiske varmeledning og radiative tab.
Tet teknik 1 er en effektiv metode udviklet til at måle den termiske diffusivitet af faste materialer, herunder ledende, halvledende eller ikke-ledende en-dimensionelle strukturer. I fortiden, har det enkelt ledning 3ω metode 2-4 og mikro-fabrikerede enhed metode 5-9 er udviklet til at måle de termiske egenskaber af endimensionale strukturer på mikro / nanoskala. For at udvide målingen omfanget af materialer (ledende og ikke-ledende) og forbedre nøjagtighed og stabilitet, er forbigående elektro-termisk (TET) teknik er udviklet til karakterisering af termofysiske egenskaber af mikro / nanoskala ledninger. Denne teknik er blevet anvendt med succes til termisk karakterisering af fritstående mikrometer tyk Poly (3-hexylthiophene) film 10, tyndfilm bestående af anatase TiO 2 nanofibre 11, single-væg kulstofnanorør 1, mikro / submicroscale polyacrylonitril ledninger 12 og protein fibre. Efter at fjerne virkningen af parasitisk ledning (hvis prøven er overtrukket med et lag af guld at gøre det elektronisk ledende) og radiative tab, kan den reelle termiske diffusivitet opnås. Så den reelle varmeledningsevne kan beregnes med en given værdi af volumenbaseret specifik varme (ρc p), som kan fås fra kalibrering, noncontact foto-termisk teknik, eller måling af densitet og specifik varme separat.
I eksperimentet procedure, tre trin [trin 2), 3) og 5)] er meget kritisk for succes karakterisere termiske egenskaber præcist. For trin 2) og 3), der skal betales på at anvende sølvpasta kun på prøve-elektrode kontakt meget opmærksomhed. Det er meget let at forurene den suspenderede prøve med sølvpasta, og de termiske egenskaber vil stige, hvis dette sker. Så i trin 3), kontrollere prøven med mikroskop omhyggeligt, hvis en forurening-sølv pasta påføres eller forlænges til den suspenderede prøve-er bemærket, skal forberedes til eksperimentet en ny prøve.
Når ligning 10 er forenklet til ligning 11, antages det, at forsøget udføres i et vakuumkammer ved meget lavt tryk (1-3 mTorr), så gassen varmeledning virkning er ubetydelig. Efter gør en række test ved forskellige tryk, er det bekræftet, at i ligning 10, gas adfærdion koefficient h er proportional med trykket p som h = γp. Koefficienten γ er relateret til en parameter kaldet termisk indkvartering koefficient, der afspejler den energi kobling / exchange koefficient når gasmolekylerne strejke materialets overflade. Γ kan beregnes som ξπ 2 Dρc P / (4 L 2), hvor ξ er hældningen af den termiske diffusivitet mod tryk. γ varierer fra prøve til prøve. Denne gas overledning faktor kan være stærkt påvirket af materialets overflade struktur og den rumlige konfiguration i kammeret under TET karakterisering. For trin 5), gennemføre eksperimentet på meget lavt tryk (1-3 mTorr), vil sørge for, at denne komplicerede gas varmeledning effekt er ubetydelig.
Surface emissivitet (ε) af de målte ved denne teknik prøver kan også beregnes with den givne værdi af volumenbaseret specifik varme (ρc p), som kan fås fra kalibrering, noncontact foto-termisk teknik 13-15 eller måling af densitet og specifik varme separat. Efter subtraktion af virkningen af parasitisk ledning, den termiske diffusivitet (α real + rad) vist i figur 6 har kun virkning radiative tab . Det er let at vide, at:
(13)
Her t 0 er stuetemperatur L diameteren af testede prøver, og D er diameteren af prøven.
Der er flere begrænsninger af TET teknik. Først den karakteristiske tid Δt c for thErmal transport i stikprøven, hvilket svarer til 0,2026 L 2 / α 1, bør være meget større end stigningen tid (ca. 2 usek) for den aktuelle kilde. Ellers vil nøjagtigheden af spændingen evolution blive påvirket betydeligt. Så det kræver, at prøven længde L ikke skulle være for lille eller den termiske diffusivitet α bør ikke for stor. For det andet, vil temperaturen af prøven stiger med omkring 20-30 ° i eksperimentet. Inden for dette område skal modstanden i prøven har en lineær relation til temperaturen. Det skyldes, at i den del af den teoretiske baggrund er det kendt, at den målte spænding ændre sig selv er relateret til temperaturændring af prøven. Hvis modstanden af prøven ikke har en lineær relation til temperatur, kan spændingen udviklingen ikke står for temperaturen evolution. For det tredje bør spændingen af prøven har et lineært forhold tilDC strømmen tilføres under eksperimentet. Dette betyder ved en bestemt temperatur, vil modstanden ikke ændre når DC aktuelle ændringer. Det er velkendt, at halvledere ikke har denne egenskab.
Afslutningsvis TET teknikken er en meget effektiv og robust fremgangsmåde til måling af de termiske egenskaber af forskellige typer af materialer. For det samme materiale, bare teste to prøver med forskellig længde hver to gange, alle de vigtige termiske egenskaber af de materialer, såsom termisk diffusivitet, varmeledningsevne, og overflade emissivitet (hvis ρc p er givet), kan karakteriseres.
The authors have nothing to disclose.
Til støtte for dette arbejde fra Office of Naval Research (N000141210603) og hæren Research Office (W911NF1010381) er modtaget med tak. Delvis støtte til dette arbejde fra National Science Foundation (cbet-0.931.290, CMMI-0.926.704, og cbet-0.932.573) er også anerkendt.
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 |