تقنية TET (الكهربائية الحرارية عابرة) هو نهج فعال وضعت لقياس الانتشارية الحرارية من المواد الصلبة.
Method Article
تقنية TET (الكهربائية الحرارية عابرة) هو نهج فعال وضعت لقياس الانتشارية الحرارية من المواد الصلبة.
تقنية TET (الكهربائية الحرارية عابرة) هو نهج فعال وضعت لقياس الانتشارية الحرارية للمواد الصلبة، بما في ذلك الهياكل ذات بعد واحد موصل، شبه موصل أو نونكوندوكتيفي. هذه التقنية يوسع نطاق قياس المواد (موصل ونونكوندوكتيفي) ويحسن دقة والاستقرار. إذا كانت العينة (وخاصة المواد الحيوية، مثل شعر رأس الإنسان، حرير العنكبوت، ودودة القز الحرير) ليست مؤاتية، وسوف تكون مغلفة بطبقة من الذهب لجعلها موصلة إلكترونيا. تأثير التوصيل الطفيلية والخسائر الإشعاعي على انتشارية الحراري يمكن أن تطرح أثناء معالجة البيانات. ثم يمكن حساب التوصيل الحراري حقيقية مع قيمة معينة من الحرارة على أساس حجم معين (ρc ع)، والتي يمكن الحصول عليها من المعايرة، تقنية الصور الحرارية نونكونتاكت أو قياس كثافة وحرارة محددة بشكل منفصل. في هذا العمل، وعينات من شعر رأس الإنسان هي استخدامد لإظهار كيفية إعداد التجربة، معالجة البيانات التجريبية، وطرح تأثير التوصيل الطفيلية والخسائر الإشعاعي.
تقنية TET 1 هو نهج فعال وضعت لقياس الانتشارية الحرارية للمواد الصلبة، بما في ذلك الهياكل ذات بعد واحد موصل، شبه موصل أو نونكوندوكتيفي. في الماضي، وقد وضعت في سلك واحد طريقة 3ω 2-4 وطريقة التجهيز الجزئي الجهاز 5-9 لقياس الخواص الحرارية هياكل واحدة الأبعاد في الدقيقة / النانو. من أجل توسيع نطاق قياس المواد (موصل ونونكوندوكتيفي) وتحسين دقة والاستقرار، وقد وضعت عابرة الكهربائية الحرارية (TET) تقنية لتوصيف خصائص thermophysical من الأسلاك الدقيقة / النانو. وقد استخدمت هذه التقنية بنجاح لتوصيف الحرارية الخالية من مكانة بولي (3 hexylthiophene) أفلام ميكرومتر سميكة 10، الأغشية الرقيقة تتكون من ألياف النانو أناتاسي تيو 2 11، واحدة جدار أنابيب الكربون النانوية 1، الصغرى / بولي submicroscaleأسلاك الأكريلونيتريل 12، وألياف البروتين. بعد القضاء على تأثير التوصيل الطفيلية (إذا تم المغلفة العينة مع طبقة من الذهب لجعلها موصلة إلكترونيا) والإشعاعي الخسائر، ويمكن الحصول على انتشارية الحراري الحقيقي. ثم يمكن حساب التوصيل الحراري حقيقية مع قيمة معينة من الحرارة على أساس حجم معين (ρc ع)، والتي يمكن الحصول عليها من المعايرة، تقنية الصور الحرارية الاتصال، أو قياس كثافة وحرارة محددة بشكل منفصل.
1. إجراء التجربة
2. معالجة المعلومات
تطبيع ارتفاع درجة الحرارة التجريبية الأولى، وإجراء المناسب النظرية لأنه باستخدام القيم المحاكمة مختلفة من انتشارية الحرارية للعينة. ويناقش هذا الإجراء في العمل قوه 1 بالتفصيل. ثم طرح تأثير الخسائر الإشعاعي والتوصيل الطفيلية على انتشارية الحرارية، وحساب التوصيل الحراري. وفيما يلي التفاصيل.
(6)
(7)
(8)
(10) تركيب البيانات التجريبية لعينة شعر رأس الإنسان 1 يظهر (طول 0.788 ملم، المغلفة مع فيلم الذهب مرة واحدة فقط) في الشكل 3. يتحدد لها انتشارية الحرارية عند 1.67 × 10 -7 م 2 / ثانية، والذي يتضمن تأثير الخسائر الإشعاعي والتوصيل الطفيلية. الشكل 4 هو SEM صورة نموذجية من شعر رأس الإنسان. والمغلفة العينات القصير والطويل مع فيلم الذهب مرتين واختبارها مرتين على التوالي، على أساس المعادلة 12، وتأثير التوصيل الطفيلية يمكن بسهولة عن طريق طرح منحنى المناسب كما هو مبين في الشكل 5. النقطة التي يتقاطع منحنى المناسب مع α محور ممثل المؤسسة هي قيمة α ممثل المؤسسة عند المقاومة هو لانهائي، مما يعني أن تأثير التوصيل الطفيلية في المعادلة 12 0. يتم قياس عينات اثنين الإنسان شعر الرأس مع أطوال مختلفة للحصول على اثنين يتقاطع. تفاصيل حول إكسبوتتلخص شروط erimental ونتائج القياس في الجدول 1. من خلال الجمع بين هاتين النقطتين، والعلاقة بين ممثل المؤسسة α وL 2 / D يمكن الكشف عنها. من أزواج من قياس (α 1، L 1 2 / D 1) و (α 2، L 2 2/2 D)، الاستقراء الخطي (كما هو موضح في الشكل 6) ويتم ذلك إلى حد L = 0 (يعني لا تأثير الخسائر الإشعاعي)، وانتشارية الحرارية في هذه النقطة هو 1.42 × 10 -7 م 2 / ثانية [= α 1 - (α 1 - α 2) * L 1 2 / D 1 / (1 2 L / D 1 - L 2 2 / D 2)]. تعكس هذه القيمة الحرارية المتنوعةfusivity من العينة دون تأثير الخسائر الإشعاعي والتوصيل الطفيلية.
للشعر رأس الإنسان، ويتميز كثافة من قبل ترجيح عدة خيوط الشعر وقياس حجمها، ويقاس عند 1،100 كجم / م 3. يتم قياس الحرارة النوعية باستخدام DSC (الفرق الضوئي الكالوري) ويقاس على 1.602 كج / كجم K. لذا فإن التوصيل الحراري الحقيقي هو 0.25 واط / م ك تفاصيل من المعلمات التجريبية والنتائج لعينة شعر رأس الإنسان 1 و 2 هو مبين في الجدول رقم 1.

الشكل 1. أ) التخطيطي من الإعداد التجربة TET وباء) نموذجي V-ر الشخصية. C لعق هنا لمشاهدة صورة أكبر.

الشكل 2. الفرق بين T * وترسم لها باستخدام المعادلة 9. اضغط هنا لمشاهدة صورة بشكل اكبر .

الرقم 3. المقارنة بين البيانات التجريبية والنظرية نتيجة المناسب لارتفاع درجة الحرارة تطبيع مقابل الوقت (عينة شعر رأس الإنسان 1). > اضغط هنا لمشاهدة صورة أكبر.

الشكل 4. A SEM صورة نموذجية من شعر رأس الإنسان. اضغط هنا لمشاهدة صورة بشكل اكبر .

الرقم 5. نتائج المناسب للتغيير انتشارية الحرارية ضد 1 / R للعينة شعر رأس الإنسان 1 و 2. اضغط هنا لمشاهدة صورة بشكل اكبر .
رقيقة الصفحة = "دائما"> 
الرقم 6. نتيجة المناسب لانتشارية الحراري الحقيقي للعينات شعر رأس الإنسان. اضغط هنا لمشاهدة صورة بشكل اكبر .
| عينات شعر رأس الإنسان | عينة 1 (قصيرة) | عينة 2 (طويل) |
| الطول (مم) | 0.788 | 1.468 |
| القطر (مم) | 74.0 | 77.8 |
| α إشعاع حقيقي + (× 10 -7 م 2 / ثانية) | 1.48 | 1.62 |
| α الحقيقي (× 10 -7 م 2 / ثانية) | 1.42 | |
| ρ ج ص (× 10 6 ج / م 3 K) | 1.76 | |
| الموصلية الحرارية الحقيقي (W / م K) | 0.25 | |
الجدول 1: تفاصيل المعلمات والنتائج التجريبية للشعر رأس الإنسان.
في إجراء التجربة، ثلاث خطوات [الخطوة 2) و 3) و 5)] حاسمة جدا لنجاح تميز الخواص الحرارية بدقة. الخطوة 2) و 3)، يحتاج الكثير من الاهتمام يجب أن يدفع على تطبيق لصق الفضة فقط في الاتصال عينة القطب. فمن السهل جدا لتلوث العينة علقت مع الفضة عجينة، وسوف تزيد من الخواص الحرارية إذا كان هذا يحدث. لذلك في الخطوة 3)، والتحقق من العينة مع المجهر بعناية، إذا تم تطبيق أي تلوث معجون الفضة أو تمديدها لوقف التنفيذ وعينة لاحظت، يحتاج إلى نموذج جديد لتكون مستعدة للتجربة.
عندما يتم تبسيط المعادلة 10 إلى 11 المعادلة، فمن المفترض أن تتم التجربة في فراغ الغرفة تحت ضغط منخفض جدا (1-3 mTorr)، وبالتالي فإن تأثير التوصيل الغاز لا يكاد يذكر. بعد القيام بسلسلة من الاختبار عند ضغوط مختلفة، وأكد أنه، في المعادلة 10، سلوك الغازأيون معامل ح يتناسب مع ع ح = الضغط كما γp. يرتبط γ معامل إلى معلمة تسمى معامل الإقامة الحرارية التي تعكس معامل الطاقة اقتران / تبادل عندما ضرب جزيئات الغاز على سطح المادة. γ يمكن حساب كما ξπ 2 Dρc P / (4 L 2) حيث ξ هو منحدر انتشارية الحرارية ضد الضغط. γ يختلف من عينة إلى عينة. هذا العامل توصيل الغاز يمكن أن تتأثر بقوة بواسطة بنية سطح المادة والتكوين المكاني في الغرفة خلال TET التوصيف. الخطوة 5)، وإجراء التجربة في الضغط المنخفض جدا (1-3 mTorr) سوف نتأكد من أن هذا التأثير معقدة توصيل الغاز لا يكاد يذكر.
ويمكن أيضا الابتعاثية السطحية (ε) من العينات التي تقاس هذه التقنية أن تحسب وايال قيمة معينة من الحرارة على أساس حجم معين (ρc ع)، والتي يمكن الحصول عليها من المعايرة، نونكونتاكت الضوئية الحرارية تقنية 13-15 أو قياس كثافة وحرارة محددة بشكل منفصل. بعد طرح تأثير التوصيل الطفيلية، انتشارية الحرارية (α الحقيقي + راد) هو مبين في الشكل (6) ليس لديها سوى تأثير الخسائر الإشعاعي،
. فمن السهل أن نعرف أن:
(13)
هنا T 0 هو درجة حرارة الغرفة، L قطر العينات واختبارها، وD القطر من عينة.
وهناك العديد من القيود المفروضة على تقنية TET. الأولى، وهي المرة مميزة Δt ج لالالنقل ermal في العينة، أي ما يعادل 0.2026 L 2/1 α، ينبغي أن يكون أكبر بكثير من الوقت الارتفاع (حوالي 2 μsec) من مصدر في الوقت الراهن. خلاف ذلك، وسوف تتأثر دقة تطور الجهد بشكل كبير. لذلك يتطلب أن العينة طول L لا ينبغي أن تكون صغيرة جدا أو انتشارية α الحرارية يجب أن لا كبير جدا. الثانية، فإن درجة حرارة العينة بنسبة حوالي 20-30 درجة في التجربة. ضمن هذا النطاق، يجب أن يكون المقاومة من العينة وجود علاقة خطية لدرجة الحرارة. هذا هو لأنه في جزء من الخلفية النظرية، فمن المعروف أن تغير الجهد المقاس يرتبط بطبيعته إلى التغير في درجة الحرارة من العينة. إذا لم يكن لدى المقاومة من العينة وجود علاقة خطية لدرجة الحرارة، ويمكن أن تطور الجهد لن يرشح نفسه لتطور درجات الحرارة. ثالثا، ينبغي أن يكون الجهد من العينة وجود علاقة خطية لالعاصمة الحالية تتغذى أثناء التجربة. وهذا يعني عند درجة حرارة معينة، فإن المقاومة لن تتغير عندما يتغير العاصمة الحالية. ومن المعروف جيدا أن أشباه الموصلات لم يكن لديك هذه الخاصية.
في الختام، هذه التقنية TET هو نهج فعالة جدا وقوية لقياس الخواص الحرارية من أنواع مختلفة من المواد. لنفس المواد، مجرد اختبار عينتين مع طول مختلفة في كل مرتين، كل الخصائص الحرارية هامة من المواد، مثل انتشارية الحراري، التوصيل الحراري، والابتعاثية السطحية (في حال عدم إعطاء ρc ع)، يمكن وصفها.
ليس هناك شيء في الكشف عنها.
ومن المسلم به بامتنان دعم هذا العمل من مكتب البحوث البحرية (N000141210603) ومكتب أبحاث الجيش (W911NF1010381). ومن المسلم به أيضا دعم جزئي لهذا العمل من مؤسسة العلوم الوطنية (CBET-0931290، 0926704 CMMI-، وCBET-0932573).
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| راسم الذبذبات الفوسفوري الرقمي | Tektronix | DPO 3052 | ؛ |
| Sputter Coater | Denton فراغ | DESK V | |
| مصدر التيار المتردد والتيار المستمر | كيثلي | موديل 6221 | ؛ |
| مجهر المختبر | أوليمبوس | BX41 | ؛ |
| مضخة فراغ دوارة دوارة مزدوجة المرحلة | Varian | DS102 | ؛ |
| غرفة فراغ | مختبرات هنتنغتون الميكانيكية | المنتج المخصص | يجب أن يكون الضغط في الغرفة منخفضا يصل إلى 1-3 mTorr عند العمل مع مضخة التفريغ |
| السائل الفضي الغرواني | تيد بيلا | 16031 | ؛ |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission