測量一維微納米材料熱導(dǎo)率和接觸熱阻新方法-PPT課件

1、測量一維微納米材料熱導(dǎo)率和接觸熱阻的新方法 目錄研究背景實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)拉曼散射簡介實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)論一 研究背景微納米材料在高速傳感器、高效熱電轉(zhuǎn)換器和光電轉(zhuǎn)換器等方面有著廣泛的應(yīng)用；微納米材料的熱學(xué)性質(zhì)與其對應(yīng)體材料的熱學(xué)性質(zhì)有較大差異；傳統(tǒng)方法難以對微納米材料熱物性進(jìn)行有效測試。二 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括：T64000拉曼光譜儀、變溫平臺(tái)（Linkam THMS600）、精密電源(Advantest R6243)、高精度數(shù)字萬用表(Keitheley 2019, 8.5 digits)。E0E1hh激發(fā)虛態(tài)發(fā)生瑞利散射hh(+)h(-)E1E0發(fā)生拉曼散射振動(dòng)能級三 拉曼散射簡介激發(fā)虛態(tài)振動(dòng)

2、能級四 實(shí)驗(yàn)方法4.1 已有方法 目前結(jié)合拉曼光譜對微納米材料熱物性進(jìn)行測試的主要方法是：對樣品通電加熱使其產(chǎn)生較大溫升，采用較弱的拉曼激光掃描樣品，得到樣品溫度分布和熱物性。該方法缺點(diǎn)：忽略激光加熱對測試的影響；樣品溫升較大，難以得到特定溫度下的熱物性；激光功率較小，拉曼信號弱，影響測試結(jié)果精度。光斑左側(cè)溫度分布：樣品端點(diǎn)溫度：光斑右側(cè)溫度分布：4.2 本文的方法 考慮激光加熱且不需已知樣品對激光吸收量條件下，同時(shí)測量微納米材料熱導(dǎo)率（TC）及其與基底間接觸熱阻(TCR)。4.2.1 改變通電率 在真空中，將拉曼光譜激光光斑聚焦在通電加熱的樣品中點(diǎn)，改變一次通電功率，消去激光加熱量，建立含T

3、C和TCR的方程。內(nèi)熱源：能量守恒：改變通電率：若忽略RC： 需要建立另一個(gè)包含TC和TCR且與已得到方程相互獨(dú)立的方程。4.2.2 改變光斑位置 激光光斑同時(shí)起加熱和測溫作用，不對樣品通電時(shí)，改變一次光斑位置建立含TC和TCR且不含吸收激光功率的方程。激光加熱量由導(dǎo)熱傳遞到基底：改變一次測點(diǎn)位置，保持P不變：4.2.3 TC和TCR的表達(dá)式 由改變通電功率和測點(diǎn)位置得到的方程，得到和Rc的表達(dá)式。五 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 在空氣中測定了直徑和長度分別為4.87, 174.6m；4.87, 243.4m碳纖維的及其與基底間的Rc 。 在測量和Rc前，首先測定了長度為10.835mm的碳纖維在空氣中的自然對

4、流換熱系數(shù)，以驗(yàn)證自然對流換熱對短纖維測試結(jié)果的影響可以忽略。 5.1 對流換熱系數(shù)的測定 放置于空氣中的直徑和長度分別為4.87m, 10.835mm的懸架碳纖維及其拉曼信號如圖。 改變碳纖維所處環(huán)境的溫度，標(biāo)定G峰峰位隨溫度的線性關(guān)系，得到其變化率為0.03012cm-1/K。D峰G峰2D峰 對該懸架碳纖維通電加熱，向基底的導(dǎo)熱量與向空氣的對流換熱量相比可以忽略。 通過測定通電加熱導(dǎo)致的樣品溫升，得到樣品與空氣間的對流換熱系數(shù)。 5.2 TC和TCR的測定 下圖是實(shí)驗(yàn)中制作的兩個(gè)懸架碳纖維樣品（d=4.87m;L=174.6, 243.4m）。 根據(jù)測定的碳纖維與空氣間對流換熱系數(shù)（約30

5、00W/(m2K) ），假定纖維樣品熱導(dǎo)率為240W/(mK)，95%以上的加熱量（通電加熱和激光加熱）由導(dǎo)熱向環(huán)境散失。 對樣品1進(jìn)行測試，通電功率為0、6.25mW時(shí)，G峰峰位為1582.10、1581.21cm-1；不對樣品通電，激光光斑距離左側(cè)熱沉25、65m， G峰峰位為1581.80、1581.15cm-1，分別示于下圖。測得樣品1的TC 和TCR 分別為：305.7W/(mK), 1.85103K/W； 以同樣的方法測得樣品2的TC和TCR分別為：316.1W/(mK), 2.98103K/W。5.3 誤差分析式中， i 為引起待測量Y變化的獨(dú)立變量。本實(shí)驗(yàn)中引起誤差的量有：樣品的長度，截面積；溫度的測定，通電功率的測定；忽略輻射和對流換熱。其中：忽略輻射和對流換熱引起了系統(tǒng)誤差，使得測定值比實(shí)際值高約5%；其它因素引起的誤差為10.5%。六 結(jié)論 開發(fā)了同時(shí)測量微納米材料TC及其與基底間TCR的方法； 該方法可以在考慮激光加熱且不