一次元固体材料の熱輸送のキャラクタリゼーション

1。実験手順サンプルを収集します。本研究では、人間の頭の毛のサンプルは、30歳の健康なアジア女性から収集されます。 図1Aに示すように、2つの銅電極間に試料をサスペンド。無視できる程度に熱的および電気的接触抵抗を低減するために、試料電極コンタクトに銀ペーストを適用する。 サンプルの事前チェックをして、銀ペーストを中断し、サンプルを汚染しないことを確認するために顕微鏡を使用してください。 人間の頭の毛のサンプルは導電性ではないので、コートは金膜（〜40 nm）の非常に薄い層で、試料の外では、導電性のようにします。 真空チャンバ内の試料を入れて、1〜3トルにポンプ。 電気加熱を紹介するサンプルをステップの直流電流を供給し、誘起電圧時間（V – T）プロファイルには、オシロスコープを使用して記録されます。 </li> チャンバーからサンプルを取得し、コート、それを金膜（〜40 nm）の別の薄い層で、リピートは1.5と1.6を繰り返します。 異なる長さの新しいサンプルを作成し、ステップ1.2から1.7を繰り返します。 サンプル（長い及び短いもの）の長さと直径を特徴づけるために、走査型電子顕微鏡（SEM）を使用。 2。データ処理最初の実験的な温度上昇を正規化し、試料の熱拡散率の異なる試行値を使用して、その理論上のフィッティングを行う。この手順は、詳細に郭のワーク1に記載されている。その後、熱拡散率に関する放射損失と寄生伝導の効果を差し引くと、熱伝導率を計算する。詳細は以下の通りである。 効果的な熱拡散率を決定する TET実験セットアップの概略を、 図1Aに示されている。測定では、ステップ電流を供給ジュール加熱を誘導するためのサンプルを通る。 図1Bに示されているプロフィール-誘起電圧-時間（t V）を記録するようにオシロスコープを使用してください。どのくらいの速さ/温度の上昇を遅くすると、2つの競合するプロセスによって決定される：一方はジュール加熱であり、他方は電極への試料からの熱伝導である。試料のより高い熱拡散率は、定常状態に達するまでの短い時間を意味する、より速い温度の進展につながる。したがって、過渡電圧/温度変化が熱拡散率を決定するために使用することができる。試料の熱拡散率を決定する際に、実際の温度上昇が必要とされない。実際には、電圧上昇のみに基づいて、正規化された温度上昇が使用される。熱拡散率と熱伝導率を決定するためのプロセスは以下のとおりです。 一次元への熱伝達を簡素化：沿って一次元におけるサンプルの伝熱を取り軸方向。注：ワイヤーの長さは、その直径よりもはるかに長くなければなりません。詳細については、郭のワーク1を参照することができる。 以下の式を用いて一次元の伝熱問題のサンプルにわたって正規化された温度上昇（また、サンプル全体にわたる空間平均温度として公知のT *）を求めます。 （1） αおよびLは、試料の熱拡散率及び長さである。 正規化されたオシロスコープで記録された電圧エボリューション（V 線 ）からの温度上昇、及び熱拡散率を決定するために、フィッティング行動データについて解く。ワイヤー上の電圧は次のようにその温度に関連しています。 0 "/>（2） R 0は、試料を通って流れる電流Iは、加熱前の試料の抵抗であり、熱伝導率k個。qは 0単位体積当たりの電気加熱電力である。これは、測定された電圧変化は、試料の温度変化に本質的に関連していることが明らかである。実験データに基づいて、正規化された温度上昇Tの *の expは T * のexp =として算出することができる（V ワイヤ – V 0）/（V 1 – V 0）、V 0、V 1が横切る初期および最終電圧である場合試料（ 図1Bに示されるように）。 Tの はa * expを取得した後、 式（1）を適用することによって、理論的なT * は 、再計算し、実験的に適合するようにαの異なる試行値を使用sults（T * は の 式 ）。 MATLABは、最小二乗適合技術を適用することによって、実験と理論値を比較し、サンプルの熱拡散率としてのT *の expの最良適合を与える値を取るために、プログラミングのために使用される。 放射損失とガス伝導の影響を差し引く （試料の直径L / D、D）は、特に熱伝導率の低い試料について、試料は、非常に大きなアスペクト比を有する場合TET熱特性の間、放射損失の影響が顕著であってもよい。真空チャンバ内の圧力が非常に低くない場合にも、空気への熱伝達は、いくつかのある程度の測定に影響を与える。試料表面からの放射熱伝達率は、のように表すことができる。 、（3） WHEε再サンプルの有効放射率であり、A の表面積は、表面温度T、T 0の環境（真空チャンバ）の温度、およびθ= T – T 0ほとんどの場合、θ<< T 0は、次のようにします （4） 本体冷却源に表面放射及びガス伝導を変換することにより、試料のための伝熱支配方程式は次のようになります。 、（5） ここで、hは、ガス伝導係数である。電極はサンプルよりもはるかに大きく、優れた熱伝導性を有するので、我々の物理的なモデルでは、試料の温度を室温aで取られる連絡先をトン。 T 0、境界条件はθ（0、t）はθ=（L、T）=θ（x、0）= 0 – θ（x、t）が= T（x、t）があるため。 5の方程式の解は、次のとおりです。 （6） ただし、fは以下のように定義される- （16εδT0 3 / D +4 時間 / D）L 2 /π2 k個 、無次元である。これは、大きさ、試料の両面からの熱損失量を示すビオ数の一種である。 x方向に沿った平均温度と、この式を得ることができる統合する。 （7） だから正規化されたAVERAGE温度は、次のとおりです。 （8） 慎重な数字と数学の研究の後、αEFF =α（1 – F）で、T *のように近似することができる。 （9） 数値計算は、上記の近似の精度を調べるために行われている。 fが 0未満である場合、全体の過渡状態での最大の絶対差が（ 図2に示す）0.014未満であることに注意してください。最後に： （10） 実験は、非常に低い圧力（1-3ミリトール）の真空チャンバ内で行われるので、ガス伝導効果（h）は negligiある BLE。だから、 式（10）のように簡略化する。 （11） この式は、TET技術を用いて測定された熱拡散率は、放射損失（4εσT0〜3）の効果と線形関係を有することを示している。放射損失とガス伝導の影響を減算するような理論的背景を使用してください。 実際の熱拡散率、導電率を決定する試験した試料は金薄膜で被覆されている場合、式11で決定された熱拡散率（α）はまだ寄生伝導の効果を有する。塗膜による熱輸送の効果は無視できる程度の不確実性とヴィーデマン – フランツの法則を使用して差し引くことができる。サンプルの実際の熱拡散率（α）は 1のように決定される。 "高さ=" 47 "SRC =" / files/ftp_upload/51144/51144_clip_image002_0006.gif中0.1 "幅=" 134 "/>、（12） ρcはpは L ローレンツ 、T校正、非接触光熱技術または別々に密度および比熱を測定することから得られる体積基準の比熱であり、そしてAは 、ローレンツ数は、サンプルの温度および断面積であるそれぞれ。 なぜなら 、それは実験で二回（1 / Rの変化の原因となる）金膜を有する1つの試料を塗布し、二回試験することによって、寄生伝導の影響を排除できるように、αeffは 、1 / Rと線形関係を有することが明らかであるカーブフィッティング。実際の熱伝導率kのために、それは容易にはk =ρcはpを用いて評価することができる45;。