一種基於T形結構的納米線熱導率的測量裝置及方法與流程
2023-05-28 12:01:21
本發明涉及微納米材料熱物性領域，特別是涉及一種基於t形結構的納米線熱導率的測量裝置及方法。
背景技術：
隨著微納米技術的發展，新型纖維、碳納米管、半導體量子點和超晶格、納米顆粒等材料在航天航空、檢測、能源轉換、醫藥衛生等領域的應用日益廣泛。微器件的性能在很大程度上取決於其內部的熱量輸運能力，因此研究微納材料的熱學性能具有重要意義。由於微納米材料的熱物性與宏觀尺度材料存在很大差距，且宏觀尺度下用於表徵溫度場分布的分析方法和測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微納米材料的熱物性進行測量。
技術實現要素：
為了解決上述存在的問題，本發明提供一種基於t形結構的納米線熱導率的測量裝置及方法，該裝置結構簡單，成本低廉，測量精度高，可用於包括導電、非導電細絲材料熱導率的測量，具有很大的通用性，為達此目的，本發明提供一種基於t形結構的納米線熱導率的測量裝置，包括熱線、接觸節點、待測線和熱沉，所述熱沉有3塊，所述接觸節點的接觸電阻為rc，所述接觸節點的兩側有熱線，所述接觸節點下端有待測線，所述熱線和待測線的端部與熱沉相接觸。
作為本發明進一步改進，所述待測線包括導電和非導電細絲材料，本發明導電和非導電細絲材料均可以使用。
作為本發明進一步改進，所述熱線採用純度超過99.95％的鉑絲作為電加熱線，pt具有高化學穩定性、高電阻率以及強抗氧化性等特點，是一種優良的電阻溫度計。
作為本發明進一步改進，所述測量裝置的工作溫度範圍為13.8～1023k，本發明的工作溫度範圍為13.8～1023k，範圍較大。
作為本發明進一步改進，所述工作溫度範圍內，pt電阻率表示為溫度的三次方關係：
ρe＝ρ273[1+a(t-273)+b(t-273)2]；
其中ρ273表示溫度為273k對應的電阻率，a、b分別近似為3.98×10-3k-1和-5.85×10-7k-2。定義阻溫係數為：
由於b是負數，βt將隨著溫度升高而減小，在一定溫度範圍內，可用一階線性近似代替求導，即：
因此，pt電阻率隨溫度的變化關係為：
通過測量pt線電阻隨溫度的變化關係，可在不同的工作溫度擬合得到對應的阻溫係數，其中截面一致的pt線的電阻隨溫度的變化為：
通過測量pt熱線的電阻，由上式得到熱線的平均溫升。
本發明提供一種基於t形結構的納米線熱導率的測量裝置的測量方法：
第一步：在測量碳纖維熱導率之前，首先採用直接通電加熱法對熱線的電學和熱學性質進行校正，將熱線兩端都搭接在熱沉上，並通入直流電加熱，沿熱線長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以後，得到沿熱線方向的一維穩態導熱方程為：
δt為熱線溫升，i通過熱線電流，v熱線兩端電壓，λ熱線熱導率，l熱線長度，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電阻溫度計的工作範圍為13.8～1023k，在該溫度範圍內，pt電阻率表示為溫度的三次方關係：
ρe＝ρ273[1+a(t-273)+b(t-273)2]；
其中ρ273表示溫度為273k對應的電阻率，a、b分別近似為3.98×10-3k-1和-5.85×10-7k-2，定義阻溫係數為：
由於b是負數，βt將隨著溫度升高而減小，在一定溫度範圍內，用一階線性近似代替求導，即：
因此，pt電阻率隨溫度的變化關係為：
通過測量pt線電阻隨溫度的變化關係在不同的工作溫度擬合得到對應的阻溫係數，截面一致的pt線的電阻隨溫度的變化為：
因此，通過測量pt熱線的電阻，就可由上式得到熱線的平均溫升，與第一步計算得到的平均溫升作比較，對pt熱線的電學和熱學性質進行校正；
第三步：將待測線的一端搭接在熱線中間位置，另一端連接在熱沉上，並保證搭接待測線的熱沉為電絕緣，即待測線上沒有電流通過，當搭接碳纖維以後，由於部分熱量沿碳纖維方向導走，熱線溫度將變成雙拱形。忽略表面熱輻射損失，得待測線的溫度控制方程為：
根據邊界條件，聯立方程可求得搭接待測線之後的熱線平均溫升：
其中rc為待測線與熱線之間的接觸熱阻，rf為待測線熱阻，lf、λf、sf分別是待測線的長度、熱導率、橫截面積；
第四步，由接入待測線後熱線的平均溫升計算得到待測線的熱阻rf，根據熱阻的計算公式；
rf＝lf/(λfsf)；
即可求得待測線的熱導率λf。
本發明提供一種基於t形結構的納米線熱導率的測量裝置及方法，該裝置包括熱線、接觸節點、待測線、熱沉，其熱線採用純度超過99.95％的鉑(pt)絲作為電加熱線，該裝置和方法成功用於單根纖維熱導率的測量，且該方法可用於包括導電、非導電細絲材料熱導率的測量，具有很大的通用性，具有很大的通用性，並且結構簡單操作方便，測量精度高。
附圖說明
圖1為基於t形結構的納米線的測量裝置簡圖；
圖2為未接入待測線時熱線溫度分布曲線圖；
圖3為接入待測線後熱線溫度分布曲線圖；
圖4為搭接待測線前後測量的熱線平均溫升的變化圖。
具體實施方式
下面結合附圖與具體實施方式對本發明作進一步詳細描述：
本發明提供一種基於t形結構的納米線熱導率的測量裝置及方法，該裝置結構簡單，成本低廉，測量精度高，可用於包括導電、非導電細絲材料熱導率的測量，具有很大的通用性。
如圖1所示為基於t形結構的納米線的測量裝置簡圖，包括熱線1、接觸節點2、待測線3、熱沉4。
其中熱線1採用純度超過99.95％的鉑(pt)絲作為電加熱線。pt具有高化學穩定性、高電阻率以及強抗氧化性等特點，是一種優良的電阻溫度計，接觸節點2為熱線和待測線的接觸點，其接觸電阻為rc，待測線3包括導電、非導電細絲材料均可測量。
pt電阻溫度計的工作範圍為13.8～1023k，在該溫度範圍內，pt電阻率可以表示為溫度的三次方關係：
ρe＝ρ273[1+a(t-273)+b(t-273)2]；
其中ρ273表示溫度為273k對應的電阻率，a、b分別近似為3.98×10-3k-1和-5.85×10-7k-2。定義阻溫係數為：
由於b是負數，βt將隨著溫度升高而減小。在一定溫度範圍內，可用一階線性近似代替求導，即：
因此，pt電阻率隨溫度的變化關係為：
本裝置測量過程中，由於是很小的溫度區間內校正pt線的阻溫係數，從而保證上式線性近似的準確性。
通過測量pt線電阻隨溫度的變化關係，可在不同的工作溫度擬合得到對應的阻溫係數。截面一致的pt線的電阻隨溫度的變化為：
因此，通過測量pt熱線的電阻，就可由上式得到熱線的平均溫升。
本發明使用基於t形結構的納米線熱導率測量裝置進行測量的具體方法為：
第一步：在測量碳纖維熱導率之前，首先採用直接通電加熱法對熱線的電學和熱學性質進行校正。將熱線兩端都搭接在熱沉上，並通入直流電加熱，沿熱線長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以後，得到沿熱線方向的一維穩態導熱方程為：
δt為熱線溫升，i通過熱線電流，v熱線兩端電壓，λ熱線熱導率，l熱線長度，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電阻溫度計的工作範圍為13.8～1023k，在該溫度範圍內，pt電阻率可以表示為溫度的三次方關係：
ρe＝ρ273[1+a(t-273)+b(t-273)2]；
其中ρ273表示溫度為273k對應的電阻率，a、b分別近似為3.98×10-3k-1和-5.85×10-7k-2。定義阻溫係數為：
由於b是負數，βt將隨著溫度升高而減小。在一定溫度範圍內，可用一階線性近似代替求導，即：
因此，pt電阻率隨溫度的變化關係為：
本裝置測量過程中，由於是很小的溫度區間內校正pt線的阻溫係數，從而保證上式線性近似的準確性。
通過測量pt線電阻隨溫度的變化關係，可在不同的工作溫度擬合得到對應的阻溫係數。截面一致的pt線的電阻隨溫度的變化為：
因此，通過測量pt熱線的電阻，就可由上式得到熱線的平均溫升，與第一步計算得到的平均溫升作比較，對pt熱線的電學和熱學性質進行校正。
第三步：將待測線的一端搭接在熱線中間位置，另一端連接在熱沉上，並保證搭接待測線的熱沉為電絕緣，即待測線上沒有電流通過。當搭接碳纖維以後，由於部分熱量沿碳纖維方向導走，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，可得待測線的溫度控制方程為：
根據邊界條件，聯立方程可求得搭接待測線之後的熱線平均溫升：
其中rc為待測線與熱線之間的接觸熱阻，rf為待測線熱阻，lf、λf、sf分別是待測線的長度、熱導率、橫截面積，其中溫升變化如圖4所示；
第四步，由接入待測線後熱線的平均溫升計算得到待測線的熱阻rf，根據熱阻的計算公式；
rf＝lf/(λfsf)
即可求得待測線的熱導率λf。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非是對本發明作任何其他形式的限制，而依據本發明的技術實質所作的任何修改或等同變化，仍屬於本發明所要求保護的範圍。