测量热导率的一种新方法

一、引言在测量热导率的实验中,最普遍采用的方法是稳态法,即在保持被测样品各点温度不随时间变化的情况下测量热流,然后求出热导率。这种方法实验条件要求严格,不易测准。本文介绍一种热导率测量的新方法,即动态法:样品上各点的温度可以随时间发生规律性变化,再利用这种规律来求样品的     

瞬态法测热导率

一、引言在普物实验中,热导率的测量通常都采用稳态法。该方法测量时间长,且不容易控制稳定。而瞬态法相对于稳态法,其测量时间短,散热损失小,且容易操作。下面介绍一个通过非平衡的瞬态测量方法测量良导体热导率的实验。二、原理在一处于平衡状态的细长棒状样品一端通以短时热脉冲,样品内任一点的温度随时间变化曲线与样品的热导率有关,通过测定该曲线便可确定样品的热导率。在t=0时,细长棒状良导体,处于平衡状态,在一端受一短时热脉冲。棒内距加热端距离为x处,温度随时间的变化如图1所示。从图中读出两对应温度相等的时刻t_1     

粉末和颗粒状二氧化硅气凝胶绝热材料的热导率测量

采用瞬态热带法在不同温度和不同压力下对粉末状及颗粒状SiO_2气凝胶的热导率进行了测量。采用低温氮气吸附法测量了样品的比表面积和介孔孔径分布。结果表明,两种被测样品的热导率随压力的变化规律相似,当压力约为1000 Pa时,热导率变化曲线会出现转折,当p1000 Pa时,热导率随压力的降低而减少缓慢,当p1000 Pa时,热导率下降很快。样品的热导率随环境温度的增加而显著增加,温度一定时,随平均孔尺寸的增大而增大。误差分析表明采用瞬态热带法测量时室温下的误差在3%以内。     

Nd0．3Sro．7Mn1-xCrxO3（0．01≤x≤0．15）的低温热导率研究

报道Nd0．3Sro．7Mn1-xCrxO3（0．01≤x≤0．15）的热导率在10-300K温区内随温度和Cr含量的变化关系,在所测温区，随着Cr掺杂的增加，样品热导率值整体上逐渐减小，但在x=0．15时，出现反弹．热导率值在绝缘体-金属转变附近有很大提高，这个提高随Cr含量的增加逐渐被压制，直到x=0．15消失．分析指出热导率在绝缘体-金属转变附近的提高是由声子热导率和自旋相关热导率两部分贡献的；Cr掺杂通过电荷、晶格和自旋相互作用影响和制约了热导率随温度的变化,结果表明体系中自旋对热导率的调制作用是不可忽略的。     

La1-xCaxMnO3材料的热导与电导

实验研究了两个典型掺杂的La1-xCaxMnO3(x=0.3和x=0.6)样品的热导率与电导率随温度的变化关系,测量温区为77－300K。样品的热导率与电导率的温度曲率之间有着很大的相似性：在高温部分,两个样品的电导率均随温度降低而下降,热导率也呈现类似的温度关系;在低温部分,两个样品的电导率呈现相反的温度关系,热导率的变化也截然不同。而且,在La1-xCaxMnO3多晶材料中,电导率很小,使得电子直接贡献的热导部分微乎其微。分析指出,La1-xCaxMnO3巨磁阻材料中由Jahn-Teller效应引起的晶格畸变,受到电子状态的直接影响和制约,从而对热导产生不同的作用。     

基于TDTR方法的碳化硅低温导热性能实验研究

低温条件下碳化硅等半导体材料热导率的实验研究极少,数据匮乏,无法满足理论模型的优化需求。现有实验测量以接触式的稳态法导热系数测量为主,实验误差大,且低温测量成本过高。本文通过常规飞秒激光抽运探测热反射法与低温系统的有机结合,完成了4~300 K低温条件下单晶碳化硅热导率的测试及其随温度的变化规律,研究表明单晶碳化硅热导率在100 K左右存在极大值,温度低于100 K时其热导率与温度呈正相关,温度高于100 K时其热导率与温度呈负相关。极值点的位置与理论值的偏差可能是由于样品电子浓度、缺陷分布等因素影响。     

低温热导率测试系统的建立和自动化

介绍我们自行研制和开发的计算机控制低温热导率自动化测试系统.低温热导率测量采用稳态纵向热流法,可使用的温度范围为4.2～300K.在该系统中我们处理了小样品低温热导率测量中一些技术问题;研制了直接数字控制(DDC)的PID温度控制器;解决了数据的计算机采集和即时处理以及实验过程控制自动化等关键技术,实现了整个测量过程的全自动化.     

Cr80-xFe20Mnx(x=10,15,20)合金的低温电阻率和热导率

报道了Cr80-xFe20Mnx(x=10,15,20)合金在10—300K的电阻率和热导率．结果表明样品的电输运性质和热输运性质均与样品的磁状态有关．在SDW反铁磁转变附近,电阻率出现极小．对Neel温度以下电阻率-温度曲线拟合结果表明：取温度相关的能隙函数2△∝√（TN-T）可以很好地描述SDW反铁磁能隙随温度降低而打开的过程．合金在反铁磁转变温度以下表现出与无序样品或者玻璃态样品类似的热导率温度关系,这可能是源于合金中磁性团簇的散射．     

氧掺杂La2CuO4的热导

实验研究了氧掺杂的La2CuO4样品从330K经过慢速冷却和快速冷却后其热导率随温度的变化关系,测量温区为77－300K,在120K以下,两种情况下测得的热导率都随温度的升高而降低。热导率值相同,在120K附近达到极小,120K以上热导率随温度的升高而升高。但经过慢速冷却过程测得的热导值明显低于经过快速冷却过程测得的热导值,分析认为这与两种情况下样品中不同的无序磁散射有关。     

相变微胶囊的热导率测量

提出应用3ω谐波探测技术进行脲醛树脂-石蜡相变微胶囊的等效热导率测量方法。测试了跨越相变温度区间的微胶囊等效热导率,分析了等效热导率随温度的变化关系。在其相变温度区间内,热导率存在极大值,该极值点对应的温度与其相变温度峰值一致。同样温度下,降温时的等效热导率略小于升温,这主要是由降温时相变材料的过冷引起。     

Local thermal conductivity of polycrystalline AlN ceramics measured by scanning thermal microscopy and complementary scanning electron microscopy techniques

The local thermal conductivity of polycrystalline aluminum nitride (AlN) ceramics is measured and imaged by using a scanning thermal microscope (SThM) and complementary scanning electron microscope (SEM) based techniques at room temperature. The quantitative thermal conductivity for the AlN sample is gained by using a SThM with a spatial resolution of sub-micrometer scale through using the 3ω method. A thermal conductivity of 308 W/m·K within grains corresponding to that of high-purity single crystal AlN is obtained. The slight differences in thermal conduction between the adjacent grains are found to result from crystallographic misorientations, as demonstrated in the electron backscattered diffraction. A much lower thermal conductivity at the grain boundary is due to impurities and defects enriched in these sites, as indicated by energy dispersive X-ray spectroscopy.     

“稳态对比法”测量不良导体的导热系数

以稳态法的实验装置为基础,通过调节加热源的电压保证待测样品及标样的散热盘的散热温度(电压)相同,记下加热盘和散热盘的温度(电压),根据傅里叶导热方程,以及标准样品的导热系数直接获得待测样品的导热系数.该方法避免了传统方法因散热盘散热过程的理论处理及数据读取引入的误差.     

单根单壁碳纳米管导热系数随长度变化尺度效应的实验和理论

考虑纳米碳管与基体之间的热损失,采用四焊盘-3ω法测量了室温下基体表面不同长度单根单壁碳纳米管(SWNT)的导热系数.SWNT的导热系数在测试长度范围(05—7μm)内随长度的增大而增大,增加的幅度逐渐减小.考虑二阶3-声子过程的影响,采用改进的WV模型预测了SWNT导热系数随长度的变化规律.理论预测的声子平均自由程～175nm.导热系数的测量结果与室温下不同长度SWNT的实验结果相吻合.理论预测结果与实验结果均说明SWNT导热系数随长度变化具有尺度效应. 关键词： ω法')" href="#">3ω法 单壁碳纳米管 导热系数 二阶3-声子过程     

水基ZnO纳米流体电导和热导性能研究

利用水热法生成了形状规则、粒径均匀的球形ZnO纳米颗粒, 并超声分散于水中, 制备得到稳定的水基ZnO纳米流体. 实验测量水基ZnO纳米流体在体积分数和温度变化时的电导率, 并测试室温下水基ZnO纳米流体在不同体积分数下的热导率. 实验结果表明, ZnO纳米颗粒的添加较大地提高了基液(纯水)的热导率和电导率, 水基ZnO纳米流体的电导率随纳米颗粒体积分数增加呈非线性增加关系, 而电导率随温度变化呈现出拟线性关系; 纳米流体的热导率与纳米颗粒体积分数增加呈近似线性增加关系. 本文在经典Maxwell热导模型和布朗动力学理论的基础上, 同时考虑了吸附层、团聚体和布朗运动等因素对热导率的影响, 提出了热导率修正模型.将修正模型预测值与实验值对比, 结果表明修正模型可以较为准确地计算出纳米流体的热导率. 关键词： 水热法 电导率 热导率 热导模型     

聚乙烯单链量子热输运的同位素效应

高分子导热材料的有效调控受到了日益广泛的关注.应用密度泛函理论(DFT)、中央插入延展(central insertion scheme,CIS)方法及非平衡格林函数(NEGF)理论,对包含432个原子、长18.533 nm的聚乙烯单链量子热输运的同位素效应进行了研究.计算结果表明,室温下长100 nm的纯12C聚乙烯单链的热导率理论上限高达314.1 W·m~(-1)·K~(-1);对于~(12)C聚乙烯单链,其他条件一定时,~(14)C掺杂引起的热导同位素效应比~(13)C更为显著;室温下纯~(12)C聚乙烯单链中~(14)C掺杂原子百分数为50%时同位素效应最显著,此时平均热导比未掺杂时下降了51%.这对探索聚乙烯材料热输运的同位素影响机理具有十分积极的意义.     

碳纳米管热传导的分子动力学模拟研究

采用改进的经验键序作用势描述碳原子间的相互作用,应用分子动力学方法和Green-Kubo函数计算了碳纳米管的热导率.在模拟中,使用了重叠计算的方法来计算热流相关函数,大大减少了模拟步数.计算结果表明,碳纳米管的热导率以原子间作用力相互做功所引起的热流形式为主;热导率的值随着直径的增加而减小;在室温下,热导率的值随着温度的增加而增加,达到室温后逐渐收敛于定值.计算的单壁碳纳米管热导率在1000W/mK至4000W/mK之间,计算结果与实验结果基本符合. 关键词： 分子动力学 碳纳米管 热导率     

Thermal conductivity and thermal diffusivity of the R134a refrigerant in the liquid state

Thermal conductivity and thermal diffusivity of “ozone-safe” refrigerant R134a in liquid state within the range of temperatures 295.9–354.9 K and pressures from the liquid — vapor equilibrium line up to 4.08 MPa have been studied by high-frequency thermal-wave method. The experimental uncertainties of the temperature, pressure, thermal conductivity and thermal diffusivity measurement errors were estimated to be 0.1 K, 3 kPa, 1.5 and 2.5 %, respectively. Values of thermal conductivity and thermal diffusivity of liquid R134a on saturated line have been calculated. Approximation dependences for thermal conductivity and thermal diffusivity within the whole studied range of temperatures and pressures as well as on the saturated line have been obtained. The work was financially supported by the Russian Foundation for Basic Research (grant No. 07-08-00295-a).     

疏导式结构在头锥热防护中的应用

针对高超声速飞行器工作时头锥恶劣的热环境,为了保证飞行器头锥的尖锐外形, 提出疏导式热防护结构,利用内置高导热碳材料结构为飞行器头锥提供热防护. 采用流固耦合方法对头锥疏导式防热结构进行了分析,验证了头锥内置高导热碳材料具有较好防热效果, 其中来流马赫数(Ma)为9时头锥前缘壁面最高温度下降了21.9%,尾部最低温度升高了15.2%, 实现了热流由高温区向低温区的转移,削弱了头锥的热载荷,强化了头锥的热防护能力. 本文对外蒙皮结构参数、材料参数以及内部高导热碳材料导热率对头锥热防护性能的影响进行了分析, 其中头锥最高温度随着蒙皮材料导热系数的增加而降低到一个稳定值; 随着蒙皮材料表面黑度的增加而降低;随着蒙皮厚度的增加而升高;随着高导热碳材料导热系数的 增加而呈抛物线下降.     

良导体热导率不同测量法的比较

维德曼-弗兰兹定律指出金属的热导率和电导率的比值是常数,本文先测量了一定温度下的材料的电阻率,再由电阻率计算出材料的热导率,并与利用热波法得到的热导率进行比较,其结果相近.     

MgB2混合态热导率的反常增强

测量了MgB₂多晶样品的混合态热导率，磁场强度为0—7 T，温度范围为5—45 K .实验结果显示MgB₂热导率在低场下迅速上升，高场下趋于饱和，这与MgB₂的 二能隙电子结构有关.对实验结果的分析指出，低温强场下MgB₂多晶样品热导率的显著增强无法完全 用电子热导来解释，并对此进行了讨论. 关键词： 2')" href="#">MgB₂ 热导率 混合态