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基于瞬态电热技术微尺度材料热扩散率和导热系数的研究

徐珊  
【摘要】:近年来,随着微尺度加热式器件、微流控系统和毛细热管的不断发展,微尺度传热得到学者越来越多的关注。由于微器件的尺度效应,傅里叶定律、流体N-S方程等基于宏观领域的传统传热理论不再适用,微尺度功能材料及器件中的微能量转换机制需要重新认识和理解,而解决这些难题的基础是材料热物性参数的确定。理论预测以及实验研究均表明,随着研究对象的微细化后,其热扩散率和热导系数等热物性参数表现出明显的区别于传统大尺度下的特异性,所以热扩散率、导热系数等定义在连续介质体系中的物理量,在微尺度水平上均需要重新定义和解释。因此,发展高精度的微尺度材料热物性测量技术成为微尺度传热领域亟待解决的重要问题之一。 为从机理上研究微尺度传热,开展了微尺度材料热物性参数测量的研究。研究了研究了瞬态电热技术(Transient Electro-thermal Technique),重点分析物理模型建立,实验数据分析方法及实验误差控制,研制了基于该理论下的热物性参数测量系统。理论上,该装置可对一维微尺度固体材料的热扩散率和导热系数进行快速准确的测定。 在现有实验条件下,对电热丝Cr30Ni70镍铬丝和1Cr13AL4铁铬铝丝的热扩散率进行测量。室温下,测得直径为0.09mmCr30Ni70的热扩散率分别为2.69×10-5m2s-1,2.71×10-5m2s-1和2.80×10-5m2s-1。直径为0.10mm的1Cr13AL4铁铬铝丝的热扩散率分别为3.53×10-5m2s-1,3.48×10-5m2s-1,3.95×10-5m2s-1。对实验结果的分析,进一步验证空气对流对实验的影响最大。至于为纳米薄膜、微纳米管线等不导电材料,重点进行理论方案设计,包括试样制作,金镀层及银胶外界因素处理等内容。 本论文的研究内容为建立微尺度试样的热扩散率和导热系数测量数据库提供了理论依据,为下一步开展大范围的微尺度材料热物性参数测量构建完善的技术平台。


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