一种基于T形结构的纳米线热导率的测量装置及方法与流程

本发明涉及微纳米材料热物性领域，特别是涉及一种基于t形结构的纳米线热导率的测量装置及方法。

背景技术：

随着微纳米技术的发展，新型纤维、碳纳米管、半导体量子点和超晶格、纳米颗粒等材料在航天航空、检测、能源转换、医药卫生等领域的应用日益广泛。微器件的性能在很大程度上取决于其内部的热量输运能力，因此研究微纳材料的热学性能具有重要意义。由于微纳米材料的热物性与宏观尺度材料存在很大差距，且宏观尺度下用于表征温度场分布的分析方法和测试手段在微纳米尺度下不再适用，因此需要新的装置和方法对微纳米材料的热物性进行测量。

技术实现要素：

为了解决上述存在的问题，本发明提供一种基于t形结构的纳米线热导率的测量装置及方法，该装置结构简单，成本低廉，测量精度高，可用于包括导电、非导电细丝材料热导率的测量，具有很大的通用性，为达此目的，本发明提供一种基于t形结构的纳米线热导率的测量装置，包括热线、接触节点、待测线和热沉，所述热沉有3块，所述接触节点的接触电阻为rc，所述接触节点的两侧有热线，所述接触节点下端有待测线，所述热线和待测线的端部与热沉相接触。

作为本发明进一步改进，所述待测线包括导电和非导电细丝材料，本发明导电和非导电细丝材料均可以使用。

作为本发明进一步改进，所述热线采用纯度超过99.95％的铂丝作为电加热线，pt具有高化学稳定性、高电阻率以及强抗氧化性等特点，是一种优良的电阻温度计。

作为本发明进一步改进，所述测量装置的工作温度范围为13.8～1023k，本发明的工作温度范围为13.8～1023k，范围较大。

作为本发明进一步改进，所述工作温度范围内，pt电阻率表示为温度的三次方关系：

ρe＝ρ273[1+a(t-273)+b(t-273)²]；

其中ρ273表示温度为273k对应的电阻率，a、b分别近似为3.98×10^-3k^-1和-5.85×10^-7k^-2。定义阻温系数为：

由于b是负数，βt将随着温度升高而减小，在一定温度范围内，可用一阶线性近似代替求导，即：

因此，pt电阻率随温度的变化关系为：

通过测量pt线电阻随温度的变化关系，可在不同的工作温度拟合得到对应的阻温系数，其中截面一致的pt线的电阻随温度的变化为：

通过测量pt热线的电阻，由上式得到热线的平均温升。

本发明提供一种基于t形结构的纳米线热导率的测量装置的测量方法：

第一步：在测量碳纤维热导率之前，首先采用直接通电加热法对热线的电学和热学性质进行校正，将热线两端都搭接在热沉上，并通入直流电加热，沿热线长度方向的温度分布将呈抛物形，忽略热线表面热辐射损失，通入电流i以后，得到沿热线方向的一维稳态导热方程为：

δt为热线温升，i通过热线电流，v热线两端电压，λ热线热导率，l热线长度，s热线横截面积，h＝εσ(t²+tsurr²)(t+tsurr)≈4εσt0³，得到的热线平均温升为：

第二步：pt电阻温度计的工作范围为13.8～1023k，在该温度范围内，pt电阻率表示为温度的三次方关系：

ρe＝ρ273[1+a(t-273)+b(t-273)²]；

其中ρ273表示温度为273k对应的电阻率，a、b分别近似为3.98×10^-3k^-1和-5.85×10^-7k^-2，定义阻温系数为：

由于b是负数，βt将随着温度升高而减小，在一定温度范围内，用一阶线性近似代替求导，即：

因此，pt电阻率随温度的变化关系为：

通过测量pt线电阻随温度的变化关系在不同的工作温度拟合得到对应的阻温系数，截面一致的pt线的电阻随温度的变化为：

因此，通过测量pt热线的电阻，就可由上式得到热线的平均温升，与第一步计算得到的平均温升作比较，对pt热线的电学和热学性质进行校正；

第三步：将待测线的一端搭接在热线中间位置，另一端连接在热沉上，并保证搭接待测线的热沉为电绝缘，即待测线上没有电流通过，当搭接碳纤维以后，由于部分热量沿碳纤维方向导走，热线温度将变成双拱形。忽略表面热辐射损失，得待测线的温度控制方程为：

根据边界条件，联立方程可求得搭接待测线之后的热线平均温升：

其中rc为待测线与热线之间的接触热阻，rf为待测线热阻，lf、λf、sf分别是待测线的长度、热导率、横截面积；

第四步，由接入待测线后热线的平均温升计算得到待测线的热阻rf，根据热阻的计算公式；

rf＝lf/(λfsf)；

即可求得待测线的热导率λf。

本发明提供一种基于t形结构的纳米线热导率的测量装置及方法，该装置包括热线、接触节点、待测线、热沉，其热线采用纯度超过99.95％的铂(pt)丝作为电加热线，该装置和方法成功用于单根纤维热导率的测量，且该方法可用于包括导电、非导电细丝材料热导率的测量，具有很大的通用性，具有很大的通用性，并且结构简单操作方便，测量精度高。

附图说明

图1为基于t形结构的纳米线的测量装置简图；

图2为未接入待测线时热线温度分布曲线图；

图3为接入待测线后热线温度分布曲线图；

图4为搭接待测线前后测量的热线平均温升的变化图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供一种基于t形结构的纳米线热导率的测量装置及方法，该装置结构简单，成本低廉，测量精度高，可用于包括导电、非导电细丝材料热导率的测量，具有很大的通用性。

如图1所示为基于t形结构的纳米线的测量装置简图，包括热线1、接触节点2、待测线3、热沉4。

其中热线1采用纯度超过99.95％的铂(pt)丝作为电加热线。pt具有高化学稳定性、高电阻率以及强抗氧化性等特点，是一种优良的电阻温度计，接触节点2为热线和待测线的接触点，其接触电阻为rc，待测线3包括导电、非导电细丝材料均可测量。

pt电阻温度计的工作范围为13.8～1023k，在该温度范围内，pt电阻率可以表示为温度的三次方关系：

ρe＝ρ273[1+a(t-273)+b(t-273)²]；

其中ρ273表示温度为273k对应的电阻率，a、b分别近似为3.98×10^-3k^-1和-5.85×10^-7k^-2。定义阻温系数为：

由于b是负数，βt将随着温度升高而减小。在一定温度范围内，可用一阶线性近似代替求导，即：

因此，pt电阻率随温度的变化关系为：

本装置测量过程中，由于是很小的温度区间内校正pt线的阻温系数，从而保证上式线性近似的准确性。

通过测量pt线电阻随温度的变化关系，可在不同的工作温度拟合得到对应的阻温系数。截面一致的pt线的电阻随温度的变化为：

因此，通过测量pt热线的电阻，就可由上式得到热线的平均温升。

本发明使用基于t形结构的纳米线热导率测量装置进行测量的具体方法为：

第一步：在测量碳纤维热导率之前，首先采用直接通电加热法对热线的电学和热学性质进行校正。将热线两端都搭接在热沉上，并通入直流电加热，沿热线长度方向的温度分布将呈抛物形，如图2所示。忽略热线表面热辐射损失，通入电流i以后，得到沿热线方向的一维稳态导热方程为：

δt为热线温升，i通过热线电流，v热线两端电压，λ热线热导率，l热线长度，s热线横截面积，h＝εσ(t²+tsurr²)(t+tsurr)≈4εσt0³，得到的热线平均温升为：

第二步：pt电阻温度计的工作范围为13.8～1023k，在该温度范围内，pt电阻率可以表示为温度的三次方关系：

ρe＝ρ273[1+a(t-273)+b(t-273)²]；

其中ρ273表示温度为273k对应的电阻率，a、b分别近似为3.98×10^-3k^-1和-5.85×10^-7k^-2。定义阻温系数为：

由于b是负数，βt将随着温度升高而减小。在一定温度范围内，可用一阶线性近似代替求导，即：

因此，pt电阻率随温度的变化关系为：

本装置测量过程中，由于是很小的温度区间内校正pt线的阻温系数，从而保证上式线性近似的准确性。

通过测量pt线电阻随温度的变化关系，可在不同的工作温度拟合得到对应的阻温系数。截面一致的pt线的电阻随温度的变化为：

因此，通过测量pt热线的电阻，就可由上式得到热线的平均温升，与第一步计算得到的平均温升作比较，对pt热线的电学和热学性质进行校正。

第三步：将待测线的一端搭接在热线中间位置，另一端连接在热沉上，并保证搭接待测线的热沉为电绝缘，即待测线上没有电流通过。当搭接碳纤维以后，由于部分热量沿碳纤维方向导走，热线温度将变成如图3所示的双拱形。如果忽略表面热辐射损失，可得待测线的温度控制方程为：

根据边界条件，联立方程可求得搭接待测线之后的热线平均温升：

其中rc为待测线与热线之间的接触热阻，rf为待测线热阻，lf、λf、sf分别是待测线的长度、热导率、横截面积，其中温升变化如图4所示；

第四步，由接入待测线后热线的平均温升计算得到待测线的热阻rf，根据热阻的计算公式；

rf＝lf/(λfsf)

即可求得待测线的热导率λf。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。