Caracterização dos Transportes térmica em materiais sólidos unidimensionais

1. Experiência Procedimento Coletar amostra. Neste trabalho, as amostras de cabelo cabeça humanos são recolhidos a partir de 30 anos, sexo feminino asiático saudável. Suspender a amostra entre dois eléctrodos de cobre, como mostrado na Figura 1A. Aplicar pasta de prata com o contato da amostra-eletrodo para reduzir as resistências de contato térmicas e elétricas para um nível insignificante. Use um microscópio para fazer a verificação preliminar da amostra e certifique-se de que a pasta de prata não contaminar a amostra suspensa. Uma vez que as amostras de cabelo da cabeça humana não são electricamente condutora, o revestimento exterior da amostra com uma camada muito fina de filme de ouro (~ 40 nm) para torná-lo condutor da electricidade. Coloque a amostra na câmara de vácuo e bombeá-lo para 1-3 mTorr. Alimente uma corrente passo dc através da amostra para introduzir aquecimento elétrico eo tempo de tensão induzida (V – t) perfil será gravada usando um osciloscópio. </li> Obter a amostra para fora da câmara e revesti-la com outra fina camada de película de ouro (~ 40 nm), e repita os passos 1.5 e 1.6. Prepare uma nova amostra com um comprimento diferente, e repita os passos de 1,2-1,7. Use Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) para caracterizar o comprimento eo diâmetro das amostras (aqueles longos e curtos). 2. Informática Normalizar o aumento da temperatura experimental em primeiro lugar, e realizar a montagem teórica de que por meio de diferentes valores experimentais da difusividade térmica da amostra. Este procedimento é discutido no trabalho de Guo 1 em detalhe. Em seguida, subtrair o efeito das perdas radiativas e condução parasitária na difusividade térmica, e calcular a condutividade térmica. Os detalhes são apresentados abaixo. Determinar a difusividade térmica efetiva Um diagrama esquemático da configuração da experiência TET é mostrado na Figura 1A. Na medição, alimentar uma corrente passoatravés da amostra para induzir o aquecimento joule. Usar um osciloscópio para gravar o tempo induzido por tensão (V – t) perfil que é apresentado na Figura 1B. Como rápido / retardar o aumento da temperatura é determinada por dois processos concorrentes: um é o aquecimento por efeito de Joule, e o outro é a condução de calor a partir da amostra para os eléctrodos. A difusividade térmica mais elevada do que a amostra poderá levar a uma evolução rápida da temperatura, o que significa um menor tempo para atingir o estado estacionário. Por conseguinte, a mudança de voltagem transiente / temperatura podem ser utilizados para determinar a difusividade térmica. Ao determinar a difusividade térmica da amostra, não é necessário nenhum aumento real da temperatura. De facto, apenas o aumento da temperatura normalizada com base no aumento da tensão é utilizado. Os processos para determinar a condutividade térmica e difusividade térmica são descritos abaixo. Simplificar a transferência de calor para unidimensional: Tome a transferência de calor da amostra em uma dimensão ao longo da direção axial. Nota: O comprimento do fio tem de ser muito maior do que o seu diâmetro. Mais detalhes podem ser encaminhados para o trabalho de Guo 1. Resolver para o aumento da temperatura normalizada (T *, também conhecida como a temperatura média espacial ao longo de toda a amostra) ao longo da amostra para um problema de transferência de calor unidimensional com a seguinte equação: (1) α e L são a difusividade e do comprimento da amostra. Resolva para o aumento da temperatura normalizada a partir da evolução da tensão (fio V) registrado pelo osciloscópio, e os dados de conduta conveniente para determinar a difusividade térmica. A tensão sobre o fio está relacionada com a sua temperatura como: 0 "/> (2) R 0 é a resistência da amostra antes do aquecimento, que a passagem de corrente através da amostra, e k de condutividade térmica. Q 0 é a potência de aquecimento eléctrica por unidade de volume. É evidente que a mudança de tensão medida é intrinsecamente relacionadas com a alteração da temperatura da amostra. O aumento da temperatura normalizada T * exp com base nos dados experimentais, pode ser calculada como T * = exp (fio V – V 0) / (V 1 – V 0), onde V e V 0 1 são as tensões iniciais e finais em todo o amostra (tal como ilustrado na Figura 1B). Após a obtenção de T * exp, usar diferentes valores experimentais de α para calcular o T * teórica, aplicando a Equação 1 e se ajustar à re experimentaltados (T * exp). MATLAB é usado para programação para comparar os valores experimentais e teóricos através da aplicação da técnica de montagem dos mínimos quadrados, e ter o valor dando o melhor ajuste de T * exp como a difusividade térmica da amostra. Subtrair o efeito das perdas radiativas e condução de gás Durante uma caracterização térmica TET, o efeito de as perdas por radiação podem ser significativas se a amostra tem uma grande relação de aspecto (C / D, D: diâmetro da amostra), particularmente para amostras de baixa condutividade térmica. Além disso, se a pressão da câmara de vácuo não é muito baixo, a transferência de calor para o ar irá afectar a medição de um certo ponto. A taxa de transferência de calor de radiação a partir da superfície da amostra pode ser expressa como: , (3) where ε é a emissividade eficaz da amostra, s Uma área da superfície, a temperatura de superfície T, T 0 a temperatura do meio ambiente (câmara de vácuo), e θ = T -. T 0 Na maioria dos casos, θ << t 0 , então: (4) Ao converter a radiação de superfície e de condução de gás para a fonte de resfriamento do corpo, a equação que rege a transferência de calor para a amostra torna-se: , (5) em que h é o coeficiente de condução de gás. No nosso modelo físico, dado que os eléctrodos são muito maiores do que a amostra e têm excelente condução de calor, a temperatura da amostra é feita à temperatura ambiente, umat o contato. Porque θ (x, t) = T (x, t) – t 0, a condição de limite é θ (0, t) = θ (G, T) = θ (x, 0) = 0. A solução para a Equação 5 é a seguinte: (6) Aqui f é definida como – (16 εδT 0 3 / D +4 h / D) L 2 / π 2 k, que é adimensional. É um tipo de número de Biot cujo tamanho indica a quantidade da perda de calor a partir dos lados da amostra. Integrar essa equação ao longo da direção x e a temperatura média pode ser obtida: (7) Assim, a ave normalizadatemperatura raiva é: (8) Após estudo numérico e matemático cuidadoso, com α ef = α (1 – f), T * pode ser aproximada como (9) Cálculos numéricos foram realizados para estudar a precisão da aproximação acima. Por favor note que, quando f é inferior a 0, a diferença máxima absoluta em todo o estado transitório é menor do que 0,014 (como mostrado na Figura 2). Finalmente: (10) Porque a experiência é conduzida na câmara de vácuo a uma pressão muito baixa (1-3 mTorr), o efeito de condução do gás (h) é negligi vel. Assim simplificar Equação 10 como: (11) Esta equação demonstra que a difusividade térmica medida usando a técnica TET tem uma relação linear com o efeito de as perdas por radiação (4 εσT 0 3). Use como base teórica para subtrair o efeito das perdas radiativas e condução de gás. Determinar difusividade verdadeiro térmica e condutividade A difusividade térmica determinada (α) na Equação 11 tem ainda o efeito de condução do parasita se a amostra testada é revestida com uma película de ouro fina. O efeito de transporte térmico causado pela camada de revestimento pode ser subtraído usando a lei de Wiedemann-Franz com incerteza negligenciável. A difusividade térmica real (α) da amostra é determinada como 1: 0,1 em "height =" 47 "src =" / files/ftp_upload/51144/51144_clip_image002_0006.gif "width =" 134 "/> (12) ρc p é o calor específico baseado no volume, que pode ser obtido a partir de calibração, a técnica de foto-térmica sem contacto ou medição da densidade e do calor específico separadamente. G Lorenz, T e A são o número de Lorenz, a temperatura da amostra e a área da secção transversal, respectivamente. Porque , Verifica-se que ef α tem uma relação linear com 1 / R, de forma no experimento, uma amostra de revestimento com película de ouro, duas vezes (o que fará com que a mudança de 1 / R) e duas vezes a testar pode eliminar o efeito de condução do parasita pela ajuste de curva. Na real condutividade térmica k, pode ser facilmente avaliada através da utilização de k = p ρc45;.