本發(fā)明涉及微納米材料熱物性領(lǐng)域，特別是涉及一種基于t形結(jié)構(gòu)的納米線熱導(dǎo)率的測(cè)量裝置及方法。

背景技術(shù)：

隨著微納米技術(shù)的發(fā)展，新型纖維、碳納米管、半導(dǎo)體量子點(diǎn)和超晶格、納米顆粒等材料在航天航空、檢測(cè)、能源轉(zhuǎn)換、醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。微器件的性能在很大程度上取決于其內(nèi)部的熱量輸運(yùn)能力，因此研究微納材料的熱學(xué)性能具有重要意義。由于微納米材料的熱物性與宏觀尺度材料存在很大差距，且宏觀尺度下用于表征溫度場(chǎng)分布的分析方法和測(cè)試手段在微納米尺度下不再適用，因此需要新的裝置和方法對(duì)微納米材料的熱物性進(jìn)行測(cè)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于t形結(jié)構(gòu)的納米線熱導(dǎo)率的測(cè)量裝置及方法，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，測(cè)量精度高，可用于包括導(dǎo)電、非導(dǎo)電細(xì)絲材料熱導(dǎo)率的測(cè)量，具有很大的通用性，為達(dá)此目的，本發(fā)明提供一種基于t形結(jié)構(gòu)的納米線熱導(dǎo)率的測(cè)量裝置，包括熱線、接觸節(jié)點(diǎn)、待測(cè)線和熱沉，所述熱沉有3塊，所述接觸節(jié)點(diǎn)的接觸電阻為rc，所述接觸節(jié)點(diǎn)的兩側(cè)有熱線，所述接觸節(jié)點(diǎn)下端有待測(cè)線，所述熱線和待測(cè)線的端部與熱沉相接觸。

作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，所述待測(cè)線包括導(dǎo)電和非導(dǎo)電細(xì)絲材料，本發(fā)明導(dǎo)電和非導(dǎo)電細(xì)絲材料均可以使用。

作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，所述熱線采用純度超過(guò)99.95％的鉑絲作為電加熱線，pt具有高化學(xué)穩(wěn)定性、高電阻率以及強(qiáng)抗氧化性等特點(diǎn)，是一種優(yōu)良的電阻溫度計(jì)。

作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，所述測(cè)量裝置的工作溫度范圍為13.8～1023k，本發(fā)明的工作溫度范圍為13.8～1023k，范圍較大。

作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，所述工作溫度范圍內(nèi)，pt電阻率表示為溫度的三次方關(guān)系：

ρe＝ρ273[1+a(t-273)+b(t-273)²]；

其中ρ273表示溫度為273k對(duì)應(yīng)的電阻率，a、b分別近似為3.98×10^-3k^-1和-5.85×10^-7k^-2。定義阻溫系數(shù)為：

由于b是負(fù)數(shù)，βt將隨著溫度升高而減小，在一定溫度范圍內(nèi)，可用一階線性近似代替求導(dǎo)，即：

因此，pt電阻率隨溫度的變化關(guān)系為：

通過(guò)測(cè)量pt線電阻隨溫度的變化關(guān)系，可在不同的工作溫度擬合得到對(duì)應(yīng)的阻溫系數(shù)，其中截面一致的pt線的電阻隨溫度的變化為：

通過(guò)測(cè)量pt熱線的電阻，由上式得到熱線的平均溫升。

本發(fā)明提供一種基于t形結(jié)構(gòu)的納米線熱導(dǎo)率的測(cè)量裝置的測(cè)量方法：

第一步：在測(cè)量碳纖維熱導(dǎo)率之前，首先采用直接通電加熱法對(duì)熱線的電學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)進(jìn)行校正，將熱線兩端都搭接在熱沉上，并通入直流電加熱，沿?zé)峋€長(zhǎng)度方向的溫度分布將呈拋物形，忽略熱線表面熱輻射損失，通入電流i以后，得到沿?zé)峋€方向的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程為：

δt為熱線溫升，i通過(guò)熱線電流，v熱線兩端電壓，λ熱線熱導(dǎo)率，l熱線長(zhǎng)度，s熱線橫截面積，h＝εσ(t²+tsurr²)(t+tsurr)≈4εσt0³，得到的熱線平均溫升為：

第二步：pt電阻溫度計(jì)的工作范圍為13.8～1023k，在該溫度范圍內(nèi)，pt電阻率表示為溫度的三次方關(guān)系：

ρe＝ρ273[1+a(t-273)+b(t-273)²]；

其中ρ273表示溫度為273k對(duì)應(yīng)的電阻率，a、b分別近似為3.98×10^-3k^-1和-5.85×10^-7k^-2，定義阻溫系數(shù)為：

由于b是負(fù)數(shù)，βt將隨著溫度升高而減小，在一定溫度范圍內(nèi)，用一階線性近似代替求導(dǎo)，即：

因此，pt電阻率隨溫度的變化關(guān)系為：

通過(guò)測(cè)量pt線電阻隨溫度的變化關(guān)系在不同的工作溫度擬合得到對(duì)應(yīng)的阻溫系數(shù)，截面一致的pt線的電阻隨溫度的變化為：

因此，通過(guò)測(cè)量pt熱線的電阻，就可由上式得到熱線的平均溫升，與第一步計(jì)算得到的平均溫升作比較，對(duì)pt熱線的電學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)進(jìn)行校正；

第三步：將待測(cè)線的一端搭接在熱線中間位置，另一端連接在熱沉上，并保證搭接待測(cè)線的熱沉為電絕緣，即待測(cè)線上沒(méi)有電流通過(guò)，當(dāng)搭接碳纖維以后，由于部分熱量沿碳纖維方向?qū)ё?，熱線溫度將變成雙拱形。忽略表面熱輻射損失，得待測(cè)線的溫度控制方程為：

根據(jù)邊界條件，聯(lián)立方程可求得搭接待測(cè)線之后的熱線平均溫升：

其中rc為待測(cè)線與熱線之間的接觸熱阻，rf為待測(cè)線熱阻，lf、λf、sf分別是待測(cè)線的長(zhǎng)度、熱導(dǎo)率、橫截面積；

第四步，由接入待測(cè)線后熱線的平均溫升計(jì)算得到待測(cè)線的熱阻rf，根據(jù)熱阻的計(jì)算公式；

rf＝lf/(λfsf)；

即可求得待測(cè)線的熱導(dǎo)率λf。

本發(fā)明提供一種基于t形結(jié)構(gòu)的納米線熱導(dǎo)率的測(cè)量裝置及方法，該裝置包括熱線、接觸節(jié)點(diǎn)、待測(cè)線、熱沉，其熱線采用純度超過(guò)99.95％的鉑(pt)絲作為電加熱線，該裝置和方法成功用于單根纖維熱導(dǎo)率的測(cè)量，且該方法可用于包括導(dǎo)電、非導(dǎo)電細(xì)絲材料熱導(dǎo)率的測(cè)量，具有很大的通用性，具有很大的通用性，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單操作方便，測(cè)量精度高。

附圖說(shuō)明

圖1為基于t形結(jié)構(gòu)的納米線的測(cè)量裝置簡(jiǎn)圖；

圖2為未接入待測(cè)線時(shí)熱線溫度分布曲線圖；

圖3為接入待測(cè)線后熱線溫度分布曲線圖；

圖4為搭接待測(cè)線前后測(cè)量的熱線平均溫升的變化圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述：

本發(fā)明提供一種基于t形結(jié)構(gòu)的納米線熱導(dǎo)率的測(cè)量裝置及方法，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，測(cè)量精度高，可用于包括導(dǎo)電、非導(dǎo)電細(xì)絲材料熱導(dǎo)率的測(cè)量，具有很大的通用性。

如圖1所示為基于t形結(jié)構(gòu)的納米線的測(cè)量裝置簡(jiǎn)圖，包括熱線1、接觸節(jié)點(diǎn)2、待測(cè)線3、熱沉4。

其中熱線1采用純度超過(guò)99.95％的鉑(pt)絲作為電加熱線。pt具有高化學(xué)穩(wěn)定性、高電阻率以及強(qiáng)抗氧化性等特點(diǎn)，是一種優(yōu)良的電阻溫度計(jì)，接觸節(jié)點(diǎn)2為熱線和待測(cè)線的接觸點(diǎn)，其接觸電阻為rc，待測(cè)線3包括導(dǎo)電、非導(dǎo)電細(xì)絲材料均可測(cè)量。

pt電阻溫度計(jì)的工作范圍為13.8～1023k，在該溫度范圍內(nèi)，pt電阻率可以表示為溫度的三次方關(guān)系：

ρe＝ρ273[1+a(t-273)+b(t-273)²]；

其中ρ273表示溫度為273k對(duì)應(yīng)的電阻率，a、b分別近似為3.98×10^-3k^-1和-5.85×10^-7k^-2。定義阻溫系數(shù)為：

由于b是負(fù)數(shù)，βt將隨著溫度升高而減小。在一定溫度范圍內(nèi)，可用一階線性近似代替求導(dǎo)，即：

因此，pt電阻率隨溫度的變化關(guān)系為：

本裝置測(cè)量過(guò)程中，由于是很小的溫度區(qū)間內(nèi)校正pt線的阻溫系數(shù)，從而保證上式線性近似的準(zhǔn)確性。

通過(guò)測(cè)量pt線電阻隨溫度的變化關(guān)系，可在不同的工作溫度擬合得到對(duì)應(yīng)的阻溫系數(shù)。截面一致的pt線的電阻隨溫度的變化為：

因此，通過(guò)測(cè)量pt熱線的電阻，就可由上式得到熱線的平均溫升。

本發(fā)明使用基于t形結(jié)構(gòu)的納米線熱導(dǎo)率測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量的具體方法為：

第一步：在測(cè)量碳纖維熱導(dǎo)率之前，首先采用直接通電加熱法對(duì)熱線的電學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)進(jìn)行校正。將熱線兩端都搭接在熱沉上，并通入直流電加熱，沿?zé)峋€長(zhǎng)度方向的溫度分布將呈拋物形，如圖2所示。忽略熱線表面熱輻射損失，通入電流i以后，得到沿?zé)峋€方向的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程為：

δt為熱線溫升，i通過(guò)熱線電流，v熱線兩端電壓，λ熱線熱導(dǎo)率，l熱線長(zhǎng)度，s熱線橫截面積，h＝εσ(t²+tsurr²)(t+tsurr)≈4εσt0³，得到的熱線平均溫升為：

第二步：pt電阻溫度計(jì)的工作范圍為13.8～1023k，在該溫度范圍內(nèi)，pt電阻率可以表示為溫度的三次方關(guān)系：

ρe＝ρ273[1+a(t-273)+b(t-273)²]；

其中ρ273表示溫度為273k對(duì)應(yīng)的電阻率，a、b分別近似為3.98×10^-3k^-1和-5.85×10^-7k^-2。定義阻溫系數(shù)為：

由于b是負(fù)數(shù)，βt將隨著溫度升高而減小。在一定溫度范圍內(nèi)，可用一階線性近似代替求導(dǎo)，即：

因此，pt電阻率隨溫度的變化關(guān)系為：

本裝置測(cè)量過(guò)程中，由于是很小的溫度區(qū)間內(nèi)校正pt線的阻溫系數(shù)，從而保證上式線性近似的準(zhǔn)確性。

通過(guò)測(cè)量pt線電阻隨溫度的變化關(guān)系，可在不同的工作溫度擬合得到對(duì)應(yīng)的阻溫系數(shù)。截面一致的pt線的電阻隨溫度的變化為：

因此，通過(guò)測(cè)量pt熱線的電阻，就可由上式得到熱線的平均溫升，與第一步計(jì)算得到的平均溫升作比較，對(duì)pt熱線的電學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)進(jìn)行校正。

第三步：將待測(cè)線的一端搭接在熱線中間位置，另一端連接在熱沉上，并保證搭接待測(cè)線的熱沉為電絕緣，即待測(cè)線上沒(méi)有電流通過(guò)。當(dāng)搭接碳纖維以后，由于部分熱量沿碳纖維方向?qū)ё?，熱線溫度將變成如圖3所示的雙拱形。如果忽略表面熱輻射損失，可得待測(cè)線的溫度控制方程為：

根據(jù)邊界條件，聯(lián)立方程可求得搭接待測(cè)線之后的熱線平均溫升：

其中rc為待測(cè)線與熱線之間的接觸熱阻，rf為待測(cè)線熱阻，lf、λf、sf分別是待測(cè)線的長(zhǎng)度、熱導(dǎo)率、橫截面積，其中溫升變化如圖4所示；

第四步，由接入待測(cè)線后熱線的平均溫升計(jì)算得到待測(cè)線的熱阻rf，根據(jù)熱阻的計(jì)算公式；

rf＝lf/(λfsf)

即可求得待測(cè)線的熱導(dǎo)率λf。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非是對(duì)本發(fā)明作任何其他形式的限制，而依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)所作的任何修改或等同變化，仍屬于本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍。