CN107290381B - 一种基于t形结构的纳米线热导率的测量装置及方法 - Google Patents

一种基于t形结构的纳米线热导率的测量装置及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107290381B
CN107290381B CN201710625233.4A CN201710625233A CN107290381B CN 107290381 B CN107290381 B CN 107290381B CN 201710625233 A CN201710625233 A CN 201710625233A CN 107290381 B CN107290381 B CN 107290381B
Authority
CN
China
Prior art keywords
line
hot line
temperature
resistance
hot
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710625233.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107290381A (zh
Inventor
张宇峰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southeast University
Original Assignee
Southeast University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southeast University filed Critical Southeast University
Priority to CN201710625233.4A priority Critical patent/CN107290381B/zh
Publication of CN107290381A publication Critical patent/CN107290381A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107290381B publication Critical patent/CN107290381B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/20—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

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，将热线两端搭接在热沉上，将待测线搭接在热线和热沉之间，由于部分热量沿待测线方向导走，沿热线方向的温度分布将发生变化，即由抛物线形变为双拱形，热线平均温度将明显下降。通过测量热线的平均温升的变化，就可求解得到待测线引入的总热阻，从而求得待测线的热导率。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。

Description

一种基于T形结构的纳米线热导率的测量装置及方法
技术领域
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。
发明内容
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＝ρ272[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，考虑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+Tsurr 2)(T+Tsurr)≈4εσT0 3，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。考虑表面热辐射损失，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hf≈4εfσT0 3，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+Tsurr 2)(T+Tsurr)≈4εσT0 3，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hf≈4εfσT0 3，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。

Claims (1)

1.基于T形结构的纳米线热导率的测量的方法，其特征在于，
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，考虑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，h＝εσ(T2+Tsurr 2)(T+Tsurr)≈4εσT0 3，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：
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，热线温度将变成双拱形，如果考虑表面热辐射损失，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hf≈4εfσT0 3，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，S热线横截面积；
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。
CN201710625233.4A 2017-07-27 2017-07-27 一种基于t形结构的纳米线热导率的测量装置及方法 Active CN107290381B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710625233.4A CN107290381B (zh) 2017-07-27 2017-07-27 一种基于t形结构的纳米线热导率的测量装置及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710625233.4A CN107290381B (zh) 2017-07-27 2017-07-27 一种基于t形结构的纳米线热导率的测量装置及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107290381A CN107290381A (zh) 2017-10-24
CN107290381B true CN107290381B (zh) 2019-09-13

Family

ID=60102300

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710625233.4A Active CN107290381B (zh) 2017-07-27 2017-07-27 一种基于t形结构的纳米线热导率的测量装置及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107290381B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110031504B (zh) * 2019-03-20 2021-07-20 东南大学 一种圆形截面一维纳米结构间接触热阻的测试方法
CN114264692B (zh) * 2021-12-14 2024-04-23 南京理工大学 一种同时测量微纳米材料热导率和发射率的方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104880482A (zh) * 2015-04-13 2015-09-02 中国科学院物理研究所 测量准一维导电材料热导率的方法及装置
KR101713671B1 (ko) * 2015-12-09 2017-03-08 한국철도기술연구원 나노유체의 열전도도를 측정하기 위한 장치 및 방법
CN106596626A (zh) * 2016-11-29 2017-04-26 武汉大学 瞬态荧光测量材料热扩散率的方法及装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104880482A (zh) * 2015-04-13 2015-09-02 中国科学院物理研究所 测量准一维导电材料热导率的方法及装置
KR101713671B1 (ko) * 2015-12-09 2017-03-08 한국철도기술연구원 나노유체의 열전도도를 측정하기 위한 장치 및 방법
CN106596626A (zh) * 2016-11-29 2017-04-26 武汉大学 瞬态荧光测量材料热扩散率的方法及装置

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
微纳米线热物性测量方法及其应用;王建立;《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》;20110815(第8期);B020-52 *
改进"T"形法测量单根碳纤维热导率;顾明;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》;20111215(第S2期);B016-249 *
用变长度"T"形法测量单根纤维热导率;王建立，等;《工程热物理学报》;20091231;第30卷(第12期);2068-2070 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN107290381A (zh) 2017-10-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kim et al. Characterization of resistive heating and thermoelectric behavior of discontinuous carbon fiber-epoxy composites
Chu et al. Study of electric heating effects on carbon nanotube polymer composites
Zhang et al. Measurements of the thermal conductivity and thermal diffusivity of polymer melts with the short-hot-wire method
CN107290381B (zh) 一种基于t形结构的纳米线热导率的测量装置及方法
CN208317038U (zh) 一种新型电加热棒
CN101858794B (zh) 热响应复合元件、相关器件以及包括结构应用的应用
KR102024679B1 (ko) 석영관으로 구성된 제백계수 및 전기전도도 측정 장치 및 그 방법
CN103148952B (zh) 一种石墨烯纳米带的表面温度测试电路和测试方法
KR20150007686A (ko) 열전성능 측정 장치
CN110186583A (zh) 基于电阻抗成像的陶瓷基复合材料高温部件温度测量方法
CN108061738A (zh) 一种样品热导率和热电势的测量装置及方法
JP6202580B2 (ja) 熱物性測定方法及び熱物性測定装置
Martin et al. Seebeck coefficient metrology: do contemporary protocols measure up?
CN110530927A (zh) 一种热电材料塞贝克系数测试装置及方法
CN106645284A (zh) 一种圆管材料导热系数测量系统及其测量方法
Sujatha et al. Design and analysis of micro-heaters using COMSOL multiphysics for MEMS based gas sensor
CN103257154B (zh) 大温差样品的半球向全发射率与导热系数的测量方法
CN206038730U (zh) 一种用于薄膜热电参数测试新型样品台
CN109916952B (zh) 空心圆球构型的表面对流换热系数测量系统及测量方法
Anatychuk et al. Methods and equipment for quality control of thermoelectric materials
Kathirvelan et al. Design, Simulation and Analysis of platinum micro heaters on Al2O3 substrate for sensor applications
CN109613054A (zh) 一种直接通电纵向导热系数测试方法
CN110083905A (zh) 一种隔离开关动态增容的热点温度分析方法
Yang et al. Thermal analysis for multi-conductor bundle in high voltage overhead transmission lines under the effect of strong wind
Anatychuk et al. Automated equipment for measurement of properties of thermoelectric material rods

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant