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微纳米线热物性测量方法及其应用

王建立  
【摘要】:微纳米纤维广泛应用于航天航空、能源转换等领域,其热性能已成为研究的热点之一。由于空间分辨率的限制及接触热阻等因素的影响,宏观尺度下的热测试方法已无法满足微纳米线的测量要求,因此开发微纳米尺度下的热物性测量方法具有重要意义。本文研发了变长度稳态T形法和3ω-T形法,测量了微米线热导率、热扩散率等热物性参数,进而探讨了界面材料对测量结果的影响。 基于稳态T形法,通过改变热沉的位置,得到了同一根待测线不同长度对应的总热阻,实现了待测线热导率、铂黑胶节点接触热阻以及待测线表面发射率的同时测量。热阻分析表明,热线热阻是待测线总热阻的4倍时,测量灵敏度最大。室温下得到不同金属线的表面发射率均与文献值吻合;碳纤维热导率为400 W m-1 K-1,不确定度小于25 W m-1 K-1;铂黑胶节点的接触热阻约为103~104 K W-1,且随待测线尺寸及热导率的增大而减小。 研发了3ω-T形法及其虚拟锁相实验系统,进一步测量了待测线吸热系数及节点热阻抗。结果表明:节点热阻抗可以简化为界面材料的稳态热阻与比例系数的乘积,当节点热阻抗小于待测线时,由于界面材料提高了待测线与热线间的热量交换能力,导致热线温度振荡量减小;当节点热阻抗远大于待测线时,节点热阻抗与接触热阻相当;采用不同界面材料得到的待测线吸热系数相同。 采用3ω-T形法测量了交叉铂线间干节点接触热阻随温度的变化,并揭示了T形结构中交叉圆柱节点的变形机理。考虑热线弯曲变形以及微观接触点塑性变形的影响,能够解释接触热阻随温度升高而下降的实验结果,拟合得到的载荷指数与文献值吻合很好。结果表明:微观接触热阻占总节点热阻的比重随着温度下降及表观接触面积的增大而增大,在室温下约占30%。 研究了三种功能材料的热输运特性,结果表明:纳米多孔金线孔壁内部缺陷随着退火温度的升高而增加,导致热导率减小;随着热处理温度升高,碳纤维内部声子与缺陷间的散射减弱,热导率峰值位置将向低温偏移,对应的比热减小;由于受到界面热阻、长径比等因素限制,多壁碳纳米管并不能明显提高复合材料的热导率。


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