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基于瞬态电热技术的低维材料热物性测试与热输运分析

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基于瞬态电热技术的低维材料热物性测试与热输运分析

作者：向丽平深圳大学

学位级别：硕士

低维材料表现出众多新颖、独特且优异的性能,在微电子、半导体、光电子器件等领域中发挥着越来越重要的作用。由于尺寸效应,宏观材料系统中的热输运机制在低维材料体系中不再适用,因而低维材料中微观能量转换机制需要重新被认识和理解,... 详细信息

低维材料表现出众多新颖、独特且优异的性能,在微电子、半导体、光电子器件等领域中发挥着越来越重要的作用。由于尺寸效应,宏观材料系统中的热输运机制在低维材料体系中不再适用,因而低维材料中微观能量转换机制需要重新被认识和理解,而解决这些难题的基础是对低维材料热物性参数的精准测定。薄膜与纤维是应用最为广泛的两种低维材料形态,而碲化铋（BiTe）薄膜与聚酰亚胺（PI）纤维是不同形态材料体系中的研究热点。因此,本论文基于瞬态电热技术（Transient Electro-Thermal Technique,TET）,开展微纳米级BiTe薄膜与微米级PI纤维的热物性测试及热输运机理的分析,以期为不同形态低维材料的热测试与热输运分析提供技术参考。具体内容如下:一、微纳米级厚度BiTe薄膜热导率（k）的测量:通过设计样品结构与测试方式,探索光刻胶支撑下的多层微纳米BiTe复合薄膜的有效k的测试;并通过进一步的设计实验,逐步减去热辐射、镀金层与光刻胶基底的影响,最终基于TET技术实现微纳米厚度BiTe薄膜本征k的精准测试。研究结果表明,室温下,0.5μm-2μm厚度BiTe薄膜k在0.46 W/m K-0.92 W/m K范围内,与文献值（0.62 W/m K-1.01 W/m K）接近,且低于块体BiTe的k（1.2 W/m K）,与理论相符。二、微米级直径聚多巴胺修饰的氮化硼/聚酰亚胺复合纤维（PDA@BNNS/PI）的k测试与热输运分析:通过TET技术,利用镀金层的引入及热辐射的计算优化,测量了PDA@BNNS/PI纤维的k、热扩散系数（α）与体积比热容（ρc）。基于测量结果,探索了PDA@BNNS/PI纤维制备参数（热拉伸、填料含量）对纤维热传输的影响。结果表明,热拉伸与填料填充的耦合效应对PI纤维k的提升效果最为明显,在1.3倍热拉伸比与20 wt%填料的填充下,PI纤维的k为3.65 W/m K。此外,通过低温下的阻温系数模型,量化了纤维内部的缺陷水平与声子散射强度。

关键词：瞬态电热技术碲化铋聚酰亚胺热导率热扩散系数

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

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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

作者：徐珊青岛理工大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：瞬态电热技术微尺度材料试验设计热扩散率导热系数

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基于瞬态电热技术的材料热导率的测量

农业装备与车辆工程 2021年第11期59卷 131-134页

作者：申粉粉上海工程技术大学机械与汽车工程学院上海市201620

材料的热导率是影响其散热快慢的主要因素之一,准确获取锂离子电池材料的热物性参数,阐明其传热过程,对锂离子电池热管理具有重要意义。利用瞬态电热技术原理,搭建测量平台,并测量了铂丝和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维的热导率。实验表... 详细信息

材料的热导率是影响其散热快慢的主要因素之一,准确获取锂离子电池材料的热物性参数,阐明其传热过程,对锂离子电池热管理具有重要意义。利用瞬态电热技术原理,搭建测量平台,并测量了铂丝和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维的热导率。实验表明,该装置能够精准测量固体材料的热导率,为锂离子电池材料的热导率提供了一种新的方法,对锂离子电池内部温度场分析、解决其安全问题提供了一定的指导意义。

关键词：瞬态电热技术热扩散系数热导率

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基于瞬态电热技术微尺度材料热扩散率的测量

青岛理工大学学报 2015年第5期36卷 80-83页

作者：徐珊董华林欢周营营青岛理工大学环境与市政工程学院青岛266033

为测量微尺度材料的热扩散率,研究了瞬态电热技术,根据该技术搭建微尺度材料热物性参数的测量装置,并测量铂丝和镍铬丝的热扩散率.实验表明,该装置能够对微尺度材料的热扩散率进行精准测量.

关键词：瞬态电热技术铂丝镍铬丝热扩散率测量

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基于瞬态电热技术微尺度材料热扩散率的测量

基于瞬态电热技术微尺度材料热扩散率的测量

不同配比下MWCNTs和H-BN改性PVB新型复合材料导热特性分析

高等教育学会工程热物理专业委员会第二十一届全国学术会议

作者：李丁徐珊董华青岛理工大学

微尺度材料的热扩散率、导热系数等热物性参数明显异于常规尺度,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,在微尺度水平上均需要重新定义和解释,因此,研究高精度测量技术来确定微尺度材料的热扩散率意义重大。基... 详细信息

微尺度材料的热扩散率、导热系数等热物性参数明显异于常规尺度,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,在微尺度水平上均需要重新定义和解释,因此,研究高精度测量技术来确定微尺度材料的热扩散率意义重大。基于瞬态电热技术,设计了微尺度材料热扩散率测量装置,重点研究了实验方法、数据处理及误差控制,对直径0.09mm镍铬丝Cr30Ni70和0.10mm铁铬铝丝1Cr13AL4的热扩散率进行了测量,结果与理论预测相符。

关键词：瞬态电热技术微尺度材料热扩散率

来源： cnki会议评论

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化工新型材料 2024年第2期52卷 125-129页

作者：郭境涛林欢李斌朱珊珊张满青岛理工大学环境与市政工程学院青岛266520

采用溶液共混法制备了以多壁碳纳米管(MWCNTs)、六方氮化硼(H-BN)为填料,以聚乙烯醇缩丁醛(PVB)为基底的新型复合材料,通过瞬态电热技术研究了不同填料配比、不同环境温度下复合材料的导热性能。实验结果表明,随着环境温度从290K降低到1... 详细信息

采用溶液共混法制备了以多壁碳纳米管(MWCNTs)、六方氮化硼(H-BN)为填料,以聚乙烯醇缩丁醛(PVB)为基底的新型复合材料,通过瞬态电热技术研究了不同填料配比、不同环境温度下复合材料的导热性能。实验结果表明,随着环境温度从290K降低到10K,复合材料的热导率逐渐降低;复合材料的热导率随着MWCNTs含量的增加先增大后减小,且当MWCNTs和H-BN的质量分数比例为5∶5时导热系数达到最大值,是纯PVB的两倍。

关键词：复合材料改性材料导热系数瞬态电热技术耐低温绝缘材料

10-290K环境下聚酰亚胺纤维导热性能研究

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功能材料 2022年第4期53卷 4199-4204,4210页

作者：朱珊珊林欢张满董华青岛理工大学环境与市政工程学院山东青岛266033

为探究聚酰亚胺纤维的热导率随温度变化的规律及成因,利用瞬态电热技术得到聚酰亚胺纤维在不同温度下的热导率。实验研究表明,当温度处于10~290 K范围内,随着温度的降低,聚酰亚胺纤维的热扩散系数逐渐升高,热导率逐渐降低。从晶格振动(... 详细信息

为探究聚酰亚胺纤维的热导率随温度变化的规律及成因,利用瞬态电热技术得到聚酰亚胺纤维在不同温度下的热导率。实验研究表明,当温度处于10~290 K范围内,随着温度的降低,聚酰亚胺纤维的热扩散系数逐渐升高,热导率逐渐降低。从晶格振动(声子)导热为主入手,通过研究温度与晶格振动、声子浓度、声子平均自由程等实验参数之间的关系,在排除宏观方面例如气孔等材料瑕疵造成的影响后,得出结晶率是影响聚酰亚胺纤维在玻璃化转变温度附近热导率随温度变化的主要因素,而晶格振动是影响聚酰亚胺纤维在德拜温度附近热导率随温度变化的主要因素。因此可以通过改变结晶率、改善工艺条件等方法,制备满足不同生活、生产、科研需要的聚酰亚胺纤维。

关键词：聚酰亚胺纤维瞬态电热技术热导率高分子材料阻温系数

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碳纳米管纤维导热性能的实验研究

热科学与技术 2022年第3期21卷 252-259页

作者：王钰婷冠爱静林欢张满徐屾董华青岛理工大学环境与市政工程学院山东青岛266033 上海工程技术大学机械与汽车工程学院上海201620

利用瞬态电热技术对碳纳米管纤维(carbon nanotube, CNTF)的导热性能进行测量,研究了不同加热电流下CNTF导热性能的变化规律。在测量过程中,发现热扩散系数存在“突变”现象,CNTF的高热扩散系数比低热扩散系数大约提高1.65~3.85倍,随着... 详细信息

利用瞬态电热技术对碳纳米管纤维(carbon nanotube, CNTF)的导热性能进行测量,研究了不同加热电流下CNTF导热性能的变化规律。在测量过程中,发现热扩散系数存在“突变”现象,CNTF的高热扩散系数比低热扩散系数大约提高1.65~3.85倍,随着电流的增加,热扩散系数呈下降趋势。对电流加热过程中的声子散射机制进行了分析总结,并探究了CNTF中微观结构演变。研究表明,热扩散系数下降主要是由于高温加热过程中,倒逆声子散射增强和组成CNTF中的多壁碳纳米管结构变化造成。

关键词：碳纳米管纤维导热性能瞬态电热技术电流加热

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一步限域水热法制备石墨烯纤维的导热性能

材料科学与工程学报 2023年第3期41卷 404-410,417页

作者：董建宏林欢李斌郭境涛青岛理工大学环境与市政工程学院山东青岛266520

以氧化石墨烯水悬浮液为原料,采用一步限域水热法制备了石墨烯纤维(GFs)。使用瞬态电热技术(TET)测得直径为25.1、97.3和134.4μm石墨烯纤维样品的热扩散率分别为6.00、2.90、2.26×10^(-7)m^(2)·s^(-1),相应的导热系数分别为0.58、0.2... 详细信息

以氧化石墨烯水悬浮液为原料,采用一步限域水热法制备了石墨烯纤维(GFs)。使用瞬态电热技术(TET)测得直径为25.1、97.3和134.4μm石墨烯纤维样品的热扩散率分别为6.00、2.90、2.26×10^(-7)m^(2)·s^(-1),相应的导热系数分别为0.58、0.28和0.22Wm^(-1)·K^(-1),明显低于湿法纺丝制备的GFs的导热系数。导热系数低主要归因于大量含氧官能团的存在以及较大的接触热阻。样品的导热系数随直径的增大而减小,原因可能是直径较大的石墨烯纤维内部氧化石墨烯(GO)/石墨烯薄片具有更多的褶皱以及较差的取向性。

关键词：瞬态电热技术导热系数一步限域水热法石墨烯纤维