快速可控降温及纳米薄膜体系用芯片量热仪:综述

本论文主要介绍在过去的5年中,Rostock大学物理研究所发展起来的可控降温,以及升温速度可以达到106K.s-1的薄膜芯片量热仪。许多材料,特别是高分子材料的物理性质通常都强烈地依赖于其热历史,这一量热仪已经成功地用于它们的快速热处理以及同步的热力学量(如热容、焓等)的测量。从而为我们进行亚稳态结构的形成与演化、超快热处理中新的人工材料的制备等问题提供了新的研究手段。此外,由于其非常小的附加热容,该量热仪具有非常高的灵敏性,可用于只有几十纳克的样品的研究。利用交流差分(AC)设计,量热仪的灵敏度提高到几十pico pJ.K-1的量级。从而可以研究受限于厚度仅为几个纳米的高分子薄膜的玻璃化转变过程中热容的变化。本文先讨论要实现快速降温的策略,然后描述该量热仪的传感器的静态和动态热温性质,最后介绍在高分子研究中的几个例子,证实该量热仪在不同测量模式下的应用能力。     

一种制冷剂液态比定压热容的测量装置

本文基于热导式量热仪的量热原理,引入惰性气体进行压力平衡,搭建了一个可以应用于宽温区不同压力下制冷剂比定压热容测量的系统。在该系统上,选择苯和R22在305 K到340 K温区内进行验证实验,所得的实验结果与文献报道的最大偏差分别不超过2.08%和2.31%。该系统结构简单,结果可靠,且能够适用于液态混合工质的高精度比定压热容测量。     

肾脏热物性测量及低温下细胞形态分析

肾脏热物性参数获取和微观结构的观察,对研究冰温延时保存器官的机理非常重要。采用差示扫描量热仪测量了离体肾脏导热系数、冰点和器官保存液冰点;利用低温显微系统对肾脏组织不同保存温度及不同降温速率等状态条件,做了细胞形态的观察与分析。研究结果认为,鲜活肾脏导热系数值对肾脏冷却速率影响较大,同时发现在实验条件范围内较小的降温速率对细胞的损伤较轻。     

3ω法测量单根碳纤维导热系数和热容

考虑环境热损失,建立了单根碳纤维沿轴向的导热方程,得到了碳纤维热参数与交流加热信号的频域特性之间的关系.建立了适用于微细导电线或丝的3ω测试系统.利用3ω方法同时测量了单根碳纤维沿轴向的导热系数和热容.在室温下测量了Pt丝的导热系数和热容,验证了建立的实验系统的合理性,利用该方法测量的直径为7 μm单根碳纤维沿轴向的导热系数和热容分别为84.35 W·m-1·K-1和1.19 MJ·m-3·K-1.给出了实验测量的不确定度分析.建立的实验系统可用于单根碳纳米管或导电纳米线热参数的表征.     

导热高分子聚合物研究进展

传统高分子聚合物是良好的电绝缘体和热绝缘体.高分子聚合物具备质量轻、耐腐蚀、可加工、可穿戴、电绝缘、低成本等优异特性.高分子聚合物被广泛应用于各种器件.由于高分子材料的热导率比较低(0.1—0.5 W·m^-1·K^-1),热管理(散热)面临严峻的挑战.理论及实验工作表明,先进高分子材料可以具有比传统传热材料(金属和陶瓷)更高热导率. Fermi-Pasta-Ulam (FPU)理论结果发现低维度原子链具有非常高的热导率.广泛使用的聚乙烯热绝缘体可以被转变为热导体:拉伸聚乙烯纳米纤维的热导率大约为104 W·m^-1·K^-1,拉伸的聚乙烯薄膜热导率大约为62 W·m^-1·K^-1.首先,本文通过理论和实验结果总结导热高分子材料的传热机理研究进展,并讨论了导热高分子聚合物的制备策略;然后,讨论了在传热机制及宏量制备方面,高分子聚合物研究领域所面临的新挑战;最后,对导热高分子的热管理应用前景进行了展望.例如,导热高分子聚合物在耐腐蚀散热片、低成本太阳能热水收集器、可穿...     

氧化法结合快速热处理制备VOx薄膜及其性质研究

采用磁控溅射法在单晶Si〈100〉基底上沉积金属钒(V)薄膜,在高纯氧环境下快速热处理制备具有相变特性的氧化钒(VOx)薄膜.利用X射线衍射仪、X射线光电子能谱和扫描电子显微镜对薄膜结晶结构、薄膜中V的价态与组分及表面微观形貌进行分析,应用四探针测试方法和太赫兹时域频谱技术对样品的电学和光学特性进行测试.结果表明:在一定范围的快速热处理保温温度和保温时间下,都可以制备出具有热致相变特性的氧化钒薄膜,相变前后薄膜的方块电阻变化超过两个数量级,薄膜成分主要由V2O5和VO2混合组成,薄膜中V整体价态不因热处理条件改变而不同.在快速热处理条件范围内,500℃ 25 s左右条件下(中温区)制备出的氧化钒薄膜相变特性最佳,并且对THz波有一定的调制作用.     

双波长飞秒激光抽运-探测法测量纳米薄膜及界面热物性

建立了用来研究时间空间微尺度传热现象的双波长飞秒激光抽运-探测热反射系统,与常规的单波长飞秒激光抽运探测系统相比,双波长的光路设计方案可以大幅提高信噪比,并使共线的聚焦光路更易实现,从而提高测量的准确度。建立了与实验测量过程相应的多层膜热传导模型,并实现了多参数拟合,可用于对体材料或薄膜材料的热导率以及界面热导的准确测量。本文采用这种先进的测量方法测量了SiO₂纳米薄膜的热导率及其与Si之间的界面热导。     

涡流管复合冷却服降温性能实验研究

为解决人们在高温环境作业时的热应激,本文设计出一种涡流管和相变材料复合型冷却服.通过实验研究冷却服在不同工况下的降温参数变化和热舒适评价规律.实验表明:轻度劳动下复合型冷却服使皮肤温度最大降幅为7.6℃;重度劳动下热舒适最大值为1.5且降温续航时间长达80 min.复合型冷却服中的相变材料减小了人体核心温度的波动,使降温效果保持稳定.研究结果为涡流管复合型冷却服的优化设计提供了理论和应用依据.     

利用界面层提高多孔铝阻尼能力的一种新方法

通过溶胶-凝胶法在多孔铝孔表面包覆一层厚度为100 μm左右的聚苯乙烯薄膜.内耗测量表明,引入该界面层以后,多孔铝的阻尼能力有了非常显著的提高,甚至有了量级的变化.分析表明,借助界面层的微小滑移而耗能应该是阻尼能力提高的主要机制.同时也意味着利用有机高分子设计界面层从而提高相应多孔材料的阻尼能力是可行的、高效的.     

多层薄膜瞬态热弹反射光栅实验及其理论分析和有限元数值计算

多层薄膜/基片材料的热学性质受各层薄膜及基片的共同影响,因此同时评估各层材料的热学性质是非常重要的.激光诱导瞬态热栅技术是一种研究材料表面及亚表_面光声光热现象有效的方法,因此可用于研究多层材料的热学性质.本文利用瞬态热弹反射光栅方法研究多层薄膜/基片结构材料的热扩散率,首先对A1/ZnO/Si基片结构的多层材料进行激...