Name: توصيف النقل الحراري في المواد الصلبة ذات بعد واحد (فيديو) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-01-26T14:00:00.000+00:00
Duration: 5 min 20 s
Description: اكتشف تقنية التحليل الكهربائي الحراري العابر لقياس انتشار الحرارة في المواد الصلبة بأبعاد واحدة. تُستخدم هذه الطريقة لتحليل المواد الموصلة وغير الموصلة بدقة عالية.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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).

1. إجراء التجربة <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> جمع العينة. في هذا العمل، يتم جمع عينات شعر رأس الإنسان من 30 عاما للإناث الآسيوية صحية. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تعليق العينة بين قطبين النحاس كما هو مبين في الشكل 1A. تطبيق لصق الفضة في الاتصال عينة الكهربائي للحد من المقاومة الاتصال الحرارية والكهربائية إلى مستوى لا يكاد يذكر. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> استخدام المجهر لتفعل الاختيار الأولي للعينة وتأكد من أن معجون الفضة لا تلوث العينة مع وقف التنفيذ. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> منذ عينات شعر رأس الإنسان ليست موصلة كهربائيا، ومعطف الخارج من العينة مع طبقة رقيقة جدا من الذهب فيلم (~ 40 نانومتر) لجعله موصل بالكهرباء. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> وضع العينة في فراغ الغرفة وضخه إلى 1-3 mTorr. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إطعام خطوة العاصمة الحالية من خلال عينة لإدخال التدفئة الكهربائية والجهد في الوقت التي يسببها (V - ر) وسوف يتم تسجيل البيانات الشخصية باستخدام الذبذبات. </li&gt; <li style=";text-align:right;direction:rtl"> الحصول على عينة من الغرفة ومعطف مع طبقة أخرى رقيقة من الذهب فيلم (~ 40 نانومتر)، وكرر الخطوات من 1.5 و 1.6. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إعداد نموذج جديد مع طول مختلفة، وكرر الخطوات من 1،2-1،7. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> استخدام المسح الإلكترون المجهر (SEM) لتوصيف طول وقطر من العينات (منها الطويلة والقصيرة). </li></ol> 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. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تحديد انتشارية الحرارية فعالة ويرد التخطيطي للإعداد التجربة TET في الشكل 1A. في القياس، وإطعام خطوة الحاليمن خلال عينة للحث على التدفئة الجول. استخدام الذبذبات لتسجيل (V - ر) الناجم عن الجهد الشخصي في الوقت الذي يقدم في الشكل 1B. مدى سرعة / بطء ارتفاع درجات الحرارة يتم تحديدها من قبل اثنين من العمليات المتنافسة: واحد هو التدفئة الجول، والآخر هو توصيل الحرارة من العينة إلى الأقطاب. وهناك انتشارية الحرارية أعلى من العينة يؤدي إلى تطور درجات الحرارة بشكل أسرع، وهذا يعني وقتا أقصر للوصول إلى حالة مستقرة. وبالتالي، يمكن استخدام تغيير الجهد / درجة الحرارة عابرة لتحديد انتشارية الحرارية. عند تحديد انتشارية الحرارية للعينة، وليس هناك حاجة ارتفاع درجة الحرارة الحقيقية. في الواقع، يتم استخدام سوى ارتفاع درجة الحرارة تطبيع على أساس زيادة الجهد. وترد أدناه العمليات لتحديد انتشارية الحراري والتوصيل الحراري. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تبسيط نقل الحرارة إلى بعد واحد: خذ نقل الحرارة من العينة في بعد واحد على طول<html> الاتجاه المحوري. ملاحظة: يجب أن يكون طول السلك أطول بكثير من قطرها. مزيد من التفاصيل يمكن الرجوع إلى العمل قوه 1. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> حل لارتفاع درجة الحرارة تطبيع (T *، والمعروف أيضا باسم متوسط ​​درجة الحرارة المكانية على مجمل العينة) على عينة لمشكلة ذات بعد واحد نقل الحرارة باستخدام المعادلة التالية: <img alt="1" fo:content-width="1.8in" height="46" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image002.gif" width="260" /> (1) وα L هي الانتشارية الحرارية وطول العينة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> حل لارتفاع درجة حرارة طبيعية من تطور الجهد (سلك V) التي سجلتها الذبذبات، والسلوك البيانات المناسب لتحديد انتشارية الحرارية. ويرتبط الجهد عبر السلك إلى درجة الحرارة على النحو التالي: 0 &quot;/&gt; (2) R 0 هي المقاومة من العينة قبل التسخين، وأنا مرور الحالي من خلال عينة، وك التوصيل الحراري. ف 0 هي قوة التدفئة الكهربائية لكل وحدة حجم. فمن الواضح أن التغيير الجهد المقاس يرتبط بطبيعته إلى التغير في درجة الحرارة من العينة. ويمكن حساب ارتفاع درجة حرارة تطبيع T * إكسب استنادا إلى البيانات التجريبية كما T * إكسب = (سلك V - V 0) / (V 1 - V 0)، حيث V 0 و V 1 هي الفولتية الأولية والنهائية عبر العينة (كما هو موضح في الشكل 1B). بعد الحصول T * إكسب، استخدم القيم المحاكمة مختلفة من α لحساب النظرية T * من خلال تطبيق المعادلة 1 وتناسب إعادة التجريبيةsults (T * إكسب). يتم استخدام MATLAB للبرمجة لمقارنة القيم التجريبية والنظرية من خلال تطبيق تقنية المناسب الأقل مربع، واتخاذ قيمة إعطاء أفضل نوبة من T * إكسب كما انتشارية الحرارية للعينة. </li></ol></li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> طرح تأثير الخسائر الإشعاعي والتوصيل الغاز TET خلال توصيف الحرارية، ويمكن أن تأثير خسائر الإشعاعي تكون كبيرة إذا كانت العينة لديه نسبة الارتفاع كبيرة جدا (L / D، D: عينة القطر)، وخاصة بالنسبة للعينات من الموصلية الحرارية المنخفضة. أيضا إذا ضغط فراغ الغرفة ليست منخفضة جدا، ونقل الحرارة إلى الهواء سيؤثر على قياس إلى حد معين. ويمكن التعبير عن معدل انتقال الحرارة من الاشعاع من سطح العينة على النحو التالي: <img alt="" fo:content-width="3.1in" height="29" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image002_0001.gif" width="390" /> ، (3) عرجإعادة ε هو الابتعاثية فعالة من العينة، A و مساحة السطح، T درجة الحرارة السطحية، T 0 درجة حرارة البيئة (فراغ الغرفة)، وθ = T - T 0 وفي معظم الحالات، θ &lt;&lt; T 0 ، ثم: <img alt="" fo:content-width="1.05in" height="23" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image002_0002.gif" width="138" /> (4) عن طريق تحويل الإشعاع السطحية والتوصيل الغاز لجسم مصدر التبريد، ونقل المعادلة الحاكمة الحرارة لتصبح العينة: <img alt="" fo:content-width="2.25in" height="49" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image002_0003.gif" width="345" /> ، (5) حيث ح هو معامل التوصيل الغاز. في النموذج المادي لدينا، منذ الأقطاب هي أكبر بكثير من العينة لديهم وممتازة توصيل الحرارة، درجة الحرارة تؤخذ العينة في درجة حرارة الغرفة لر جهة الاتصال. لأن θ (خ، ر) = T (س، ر) - T 0، وحالة الحدود غير θ (0، ر) = θ (L، ر) = θ (س، 0) = 0. حل المعادلة 5 هو: <img alt="" fo:content-width="3.5in" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image002_0004.gif" width="489" /> (6) هنا يتم تعريف و كما - (16 εδT 0 3 / D +4 ح / D) L 2/2 π ك، وهي أبعاد. بل هو نوع من بيوت عدد الذين يشير إلى مقدار فقدان الحرارة من الجانبين من حجم العينة. دمج هذه المعادلة على طول X-الاتجاه ويبلغ متوسط ​​درجة الحرارة يمكن الحصول عليها: <img alt="" fo:content-width="3in" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image002_0005.gif" width="408" /> (7) وبالتالي فإن افي تطبيعدرجة حرارة الغضب هو: <img alt="" fo:content-width="4.2in" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image004_0005.gif" width="510px" /> (8) بعد دراسة متأنية العددي والرياضيات، مع α = α ممثل المؤسسة (1 - و)، يمكن أن يقترب T * كما <img alt="" fo:content-width="2.2in" height="48" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image008.gif" width="288" /> (9) وقد أجريت العمليات الحسابية الرقمية لدراسة دقة تقريب أعلاه. يرجى ملاحظة أنه عندما و هو أقل من 0، والحد الأقصى الفرق المطلق في ولاية عابرة كله هو أقل من 0.014 (كما هو موضح في الشكل 2). أخيرا: <img alt="" fo:content-width="1.7in" height="50" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image010.gif" width="218" /> (10) لأنه أجرى تجربة في فراغ الغرفة تحت ضغط منخفض جدا (1-3 mTorr)، وتأثير التوصيل الغاز (ح) هو negligi<html> بلي. ذلك تبسيط المعادلة 10 على النحو التالي: <img alt="" fo:content-width="1.4in" height="49" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image012.gif" width="173" /> (11) يوضح هذه المعادلة أن انتشارية الحرارية تقاس باستخدام تقنية TET لديه علاقة خطية مع تأثير الخسائر الإشعاعي (4 εσT 0 3). استخدام مثل هذه الخلفية النظرية لطرح تأثير الخسائر الإشعاعي والتوصيل الغاز. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تحديد انتشارية الحرارية الحقيقية والتوصيل انتشارية الحرارية العزم (α) في المعادلة 11 لا تزال لديه تأثير الطفيلية التوصيل إذا تم المغلفة العينة المختبرة مع فيلم رقيقة من الذهب. أثر النقل الحراري الناجم عن طبقة المغلفة يمكن طرح استخدام قانون فيدمان-فرانز مع عدم اليقين لا تذكر. يتم تحديد انتشارية الحرارية الحقيقي (α) من العينة ك 1: .1 في &quot;ذروة =&quot; 47 &quot;سرك =&quot; / files/ftp_upload/51144/51144_clip_image002_0006.gif &quot;العرض =&quot; 134 &quot;/&gt;، (12) ع ρc هي الحرارة النوعية على أساس الحجم، والتي يمكن الحصول عليها من المعايرة، تقنية الصور الحرارية نونكونتاكت أو قياس كثافة وحرارة محددة بشكل منفصل. L لورينز، T، و A هي عدد لورينز، درجة حرارة العينة ومنطقة مستعرضة، على التوالي. ل <img alt="" fo:content-width="2.4in" height="46" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image004_0006.gif" width="343" /> ، فمن الواضح أن ممثل المؤسسة α ديه علاقة خطية مع 1 / R، وذلك في التجربة، طلاء عينة واحدة مع فيلم الذهب مرتين (والذي يؤدي التغيير من 1 / R) واختبار مرتين يمكن القضاء على تأثير التوصيل الطفيلية التي كتبها منحنى المناسب. لالحقيقي الموصلية الحرارية ك، فإنه يمكن تقييمها بسهولة عن طريق استخدام ك = ρc ع45؛ </li></ol>

<ol><li>Guo, J. Q., Wang, X. W., Wang, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal+characterization+of+microscale+conductive+and+nonconductive+wires+using+transient+electrothermal+technique%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">Thermal characterization of microscale conductive and nonconductive wires using transient electrothermal technique.</a> J. Appl. Phys. 101, (2007).</li>
<li>Lu, L., Yi, W., Zhang, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3+omega+method+for+specific+heat+and+thermal+conductivity+measurements%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">3 omega method for specific heat and thermal conductivity measurements.</a> Rev. Sci. Instrum. 72, 2996-3003 (2001).</li>
<li>Choi, T. Y., Poulikakos, D., Tharian, J., Sennhauser, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+of+the+thermal+conductivity+of+individual+carbon+nanotubes+by+the+four-point+three-omega+method%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Measurement of the thermal conductivity of individual carbon nanotubes by the four-point three-omega method.</a> Nano Lett. 6, 1589-1593 (2006).</li>
<li>Hou, J. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal+characterization+of+single-wall+carbon+nanotube+bundles+using+the+self-heating+3-omega+technique%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">Thermal characterization of single-wall carbon nanotube bundles using the self-heating 3-omega technique.</a> J. Appl. Phys. 100, (2006).</li>
<li>Kim, P., Shi, L., Majumdar, A., McEuen, P. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal+transport+measurements+of+individual+multiwalled+nanotubes%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Thermal transport measurements of individual multiwalled nanotubes.</a> Phys. Rev. Lett. 87, (2001).</li>
<li>Kim, P., Shi, L., Majumdar, A., McEuen, P. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mesoscopic+thermal+transport+and+energy+dissipation+in+carbon+nanotubes%5BTitle%5D)+AND+%22Physica+B+Condens.+Matter%22%5BJournal%5D)">Mesoscopic thermal transport and energy dissipation in carbon nanotubes.</a> Physica B Condens. Matter. 323, 67-70 (2002).</li>
<li>Shi, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+thermal+and+thermoelectric+properties+of+one-dimensional+nanostructures+using+a+microfabricated+device%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Heat+Transfer%22%5BJournal%5D)">Measuring thermal and thermoelectric properties of one-dimensional nanostructures using a microfabricated device.</a> J. Heat Transfer. 125, 881-888 (2003).</li>
<li>Li, D. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal+conductivity+of+individual+silicon+nanowires%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Thermal conductivity of individual silicon nanowires.</a> Appl. Phys. Lett. 83, 2934-2936 (2003).</li>
<li>Shi, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal+conductivities+of+individual+tin+dioxide+nanobelts%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Thermal conductivities of individual tin dioxide nanobelts.</a> Appl. Phys. Lett. 84, 2638-2640 (2004).</li>
<li>Feng, X. H., Wang, X. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermophysical+properties+of+free-standing+micrometer-thick+Poly+%283-hexylthiophene%29+films%5BTitle%5D)+AND+%22Thin+Solid+Films%22%5BJournal%5D)">Thermophysical properties of free-standing micrometer-thick Poly (3-hexylthiophene) films.</a> Thin Solid Films. 519, 5700-5705 (2011).</li>
<li>Feng, X., Wang, X., Chen, X., Yue, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermo-physical+properties+of+thin+films+composed+of+anatase+TiO2+nanofibers%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Mater%22%5BJournal%5D)">Thermo-physical properties of thin films composed of anatase TiO2 nanofibers.</a> Acta Mater. 59, 1934-1944 (2011).</li>
<li>Guo, J. Q., Wang, X. W., Zhang, L. J., Wang, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transient+thermal+characterization+of+micro%2Fsubmicroscale+polyacrylonitrile+wires%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+A+Mater.+Sci.+Process%22%5BJournal%5D)">Transient thermal characterization of micro/submicroscale polyacrylonitrile wires.</a> Appl. Phys. A Mater. Sci. Process. 89, 153-156 (2007).</li>
<li>Hu, H. P., Wang, X. W., Xu, X. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Generalized+theory+of+the+photoacoustic+effect+in+a+multilayer+material%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">Generalized theory of the photoacoustic effect in a multilayer material.</a> J. Appl. Phys. 86, 3953-3958 (1999).</li>
<li>Wang, X. W., Hu, H. P., Xu, X. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photo-acoustic+measurement+of+thermal+conductivity+of+thin+films+and+bulk+materials%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Heat.+Transfer%22%5BJournal%5D)">Photo-acoustic measurement of thermal conductivity of thin films and bulk materials.</a> J. Heat. Transfer. 123, 138-144 (2001).</li>
<li>Wang, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+zirconium%28IV%29+propoxide+concentration+on+the+thermophysical+properties+of+hybrid+organic-inorganic+films%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">Effect of zirconium(IV) propoxide concentration on the thermophysical properties of hybrid organic-inorganic films.</a> J. Appl. Phys. 104, (2008).</li>
</ol>

ليس هناك شيء في الكشف عنها.

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، <img alt="" fo:content-width="2in" height="60" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image002_0011.gif" width="342" /> . فمن السهل أن نعرف أن: <img alt="" fo:content-width="1.7in" height="59" src="/files/ftp_upload/51144/51144_clip_image004_0010.gif" width="244" /> (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.

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.

<table><tbody><tr><td>راسم الذبذبات الفوسفوري الرقمي</td><td>Tektronix</td><td>DPO 3052</td> <td>&nbsp ؛</td></tr><tr><td>Sputter Coater</td><td>Denton فراغ</td><td>DESK V</td><td>&nbsp;</td></tr><tr><td>مصدر التيار المتردد والتيار المستمر</td><td>كيثلي</td><td>موديل 6221</td> <td>&nbsp ؛</td></tr><tr><td>مجهر المختبر</td><td>أوليمبوس</td><td>BX41</td> <td>&nbsp ؛</td></tr><tr><td>مضخة فراغ دوارة دوارة مزدوجة المرحلة</td><td>Varian</td><td>DS102</td> <td>&nbsp ؛</td></tr><tr><td>غرفة فراغ</td><td>مختبرات هنتنغتون الميكانيكية</td><td>المنتج المخصص</td><td>يجب أن يكون الضغط في الغرفة منخفضا يصل إلى 1-3 mTorr عند العمل مع مضخة التفريغ</td></tr><tr><td>السائل الفضي الغرواني</td><td>تيد بيلا</td><td>16031</td> <td>&nbsp ؛</td></tr></tbody></table>

توصيف النقل الحراري في المواد الصلبة ذات بعد واحد

Characterization of Thermal Transport in One-dimensional Solid Materials

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.

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. <img alt="الشكل 1" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/51144/51144fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51144/51144fig1.jpg" width="500px" /> الشكل 1. أ) التخطيطي من الإعداد التجربة TET وباء) نموذجي V-ر الشخصية. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51144/51144fig1highres.jpg" target="_blank">C</a><html> لعق هنا لمشاهدة صورة أكبر. <img alt="الرقم 2" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/51144/51144fig2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51144/51144fig2.jpg" width="500px" /> الشكل 2. الفرق بين T * وترسم لها باستخدام المعادلة 9. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51144/51144fig2highres.jpg" target="_blank">اضغط هنا لمشاهدة صورة بشكل اكبر</a> . <img alt="الرقم 3" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/51144/51144fig3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51144/51144fig3.jpg" width="500px" /> الرقم 3. المقارنة بين البيانات التجريبية والنظرية نتيجة المناسب لارتفاع درجة الحرارة تطبيع مقابل الوقت (عينة شعر رأس الإنسان 1).<html> &gt; اضغط هنا لمشاهدة صورة أكبر. <img alt="الرقم 4" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/51144/51144fig4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51144/51144fig4.jpg" width="500px" /> الشكل 4. A SEM صورة نموذجية من شعر رأس الإنسان. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51144/51144fig4highres.jpg" target="_blank">اضغط هنا لمشاهدة صورة بشكل اكبر</a> . <img alt="الرقم 5" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/51144/51144fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51144/51144fig5.jpg" width="500px" /> الرقم 5. نتائج المناسب للتغيير انتشارية الحرارية ضد 1 / R للعينة شعر رأس الإنسان 1 و 2. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51144/51144fig5highres.jpg" target="_blank">اضغط هنا لمشاهدة صورة بشكل اكبر</a> . رقيقة الصفحة = &quot;دائما&quot;&gt; <img alt="الرقم 6" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/51144/51144fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51144/51144fig6.jpg" width="600px" /> الرقم 6. نتيجة المناسب لانتشارية الحراري الحقيقي للعينات شعر رأس الإنسان. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51144/51144fig6highres.jpg" target="_blank">اضغط هنا لمشاهدة صورة بشكل اكبر</a> . <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="473" style=";text-align:right;direction:rtl"><colgroup><col /><col /><col /></colgroup><tbody><tr height="52"><td height="52" style="height:52px;width:249px;"> عينات شعر رأس الإنسان </td><td style="width:111px;"> عينة 1 (قصيرة) </td><td style="width:115px;"> عينة 2 (طويل) </td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> الطول (مم) </td><td> 0.788 </td><td style="width:115px;"> 1.468 </td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> القطر (مم) </td><td> 74.0 </td><td style="width:115px;"> 77.8 </td></tr><tr height="25"><td height="25" style="height:25px;"> α إشعاع حقيقي + (× 10 -7 م 2 / ثانية) </td><td> 1.48 </td><td style="width:115px;"> 1.62 </td></tr><tr height="25"><td height="25" style="height:25px;"> α الحقيقي (× 10 -7 م 2 / ثانية) </td><td colspan="2"> 1.42 </td></tr><tr height="25"><td height="25" style="height:25px;"> ρ ج ص (× 10 6 ج / م 3 K) </td><td colspan="2"> 1.76 </td></tr><tr height="25"><td height="25" style="height:25px;"> الموصلية الحرارية الحقيقي (W / م K) </td><td colspan="2"> 0.25 </td></tr></tbody></table> الجدول 1: تفاصيل المعلمات والنتائج التجريبية للشعر رأس الإنسان.

تقنية TET (الكهربائية الحرارية عابرة) هو نهج فعال وضعت لقياس الانتشارية الحرارية من المواد الصلبة.

The TET (transient electro-thermal) technique is an effective approach developed to measure the thermal diffusivity of solid materials, including ...

الهدف العام من الفيديو التالي هو التعريف بتقنية القياس الكهروحراري العابر. وتعد هذه التقنية وسيلة فعالة لقياس الانتشارية الحرارية للمواد الصلبة بدقة. ولبدء عملية القياس، يتم تعليق العينة بين قطبين من النحاس.يتم وضع عجينة الفضة على منطقة تلامس قطب العينة لتقليل مقاومات التلامس الحرارية والكهربائية إلى مستوى مهمل. بعد ذلك، يتم وضع العينة بأكملها في غرفة مفرغة من الهواء لتقليل انتقال الحرارة إلى الهواء. وأثناء عملية القياس، يتم تمرير تيار متدرج عبر العينة لتحفيز تسخين JUUL.سيتم تسجيل المخطط الزمني للجهد المستحث بواسطة راسم الإشارات (oscilloscope). ستؤدي الانتشارية الحرارية الأعلى للعينة إلى تطور أسرع في درجة الحرارة، مما يعني وقتاً أقصر للوصول إلى الحالة المستقرة. وبناءً على ذلك، يمكن استخدام هذا التغير العابر في درجة حرارة الجهد لتحديد الانتشارية الحرارية.يتم إجراء الملاءمة النظرية لارتفاع درجة الحرارة التجريبي المُطبع باستخدام قيم تجريبية مختلفة للانتشار الحراري للعينة. وتُعتبر القيمة التي تحقق أفضل ملاءمة للبيانات التجريبية هي الخاصية الحرارية للعينات. يرجى مراجعة المخطوطة للاطلاع على الخلفية النظرية المفصلة.تتمتع تقنيات TD بعدة مزايا مقارنة بالتقنيات التي كانت مستخدمة في الماضي. أولاً، فهي توسع نطاق المواد التي يمكننا قياسها؛ حيث بات بمقدورنا الآن قياس المواد الموصلة وغير الموصلة على حد سواء.ثانياً، فإنه يحسن بشكل كبير من الدقة البيئية والاستقرار. سيقوم طالب الدراسات العليا لدينا، Juan Lin، بعرض الإجراء في هذا العمل. تُستخدم عينات من شعر الرأس البشري تم جمعها من أنثى صحية تبلغ من العمر 30 عاماً لتوضيح كيفية إعداد التجربة ومعالجة البيانات التجريبية.أولاً، يتم تعليق العينة بين قطبين نحاسيين. بعد ذلك، تُوضع عجينة الفضة عند منطقة تلامس العينة مع القطب لتقليل مقاومات التلامس الحرارية والكهربائية إلى مستوى ضئيل. ثم يُستخدم المجهر لإجراء الفحص الأولي للعينة.يجب التأكد من أن معجون الفضة لم يلوث العينة المعلقة من خلال التسرب إلى أسفل طول الشعرة. فبمجرد تلوث الشعرة بمعجون الفضة، ستتغير الخصائص الحرارية بشكل جذري. وفي حال ملاحظة أي تلوث، يجب تحضير عينة جديدة للتجربة.بما أن عينات شعر الرأس البشري ليست موصلة للكهرباء، يتم طلاء طبقة رقيقة جداً من غشاء الذهب بسمك حوالي 40 nanometers على السطح الخارجي للعينة لجعلها موصلة كهربائياً. وسيتم طرح تأثير الذهب هذا على الانتشار الحراري من النتيجة النهائية. وعند معالجة البيانات التجريبية، يتم الآن وضع العينة في غرفة التفريغ وضخ الهواء منها لتصل إلى 1-3 milour، مما يؤدي إلى آثار توصيل غازية مهملة.يتم بعد ذلك تمرير تيار مستمر (DC) متدرج عبر العينة لإحداث تسخين كهربائي. وسيقوم راسم الإشارات (oscilloscope) بتسجيل المخطط الزمني للجهد المستحث. وفي الختام.سيتم استخدام المجهر الإلكتروني الماسح لتوصيف طول وعرض العينات. ويتم إجراء الملاءمة النظرية لارتفاع درجة الحرارة التجريبي المعياري باستخدام قيم تجريبية مختلفة للانتشار الحراري للعينة. وتُعتبر القيمة التي تعطي أفضل ملاءمة للبيانات التجريبية هي الخاصية الحرارية لعينات شعر الرأس البشري.تم طلاء عينتين بطبقة من الذهب مرتين واختبارهما مرتين على التوالي. لدينا أربع قيم للانتشار الحراري الفعال، ومن المعادلة 12 في المخطوطة، نعلم أن طلاء العينة بطبقة من الذهب سيغير المقاومة فقط.النقطة التي يتقاطع فيها منحنى الملاءمة مع محور الانتشارية الحرارية هي قيمة الانتشارية الحرارية الفعالة عندما تكون المقاومة لانهائية، وهو ما يعني عدم وجود تأثير الذهب. ومن خلال الجمع بين هاتين النقطتين، يمكن الكشف عن العلاقة بين الانتشارية الحرارية الحقيقية، بما في ذلك تأثير الإشعاع، و L² over D. نقوم بإجراء استقراء خطي للنقطة التي تكون فيها L تساوي صفر، وهو ما يعني عدم وجود تأثير إشعاعي، وتكون الانتشارية الحرارية عند تلك النقطة 1.42 × 10⁻⁷ m²/s.تعكس هذه القيمة الانتشارية الحرارية للعينة دون تأثير الإشعاع تحت تأثير طلاء الذهب. وبالنسبة للموصلية الحرارية الفعلية، يمكن تقديرها بسهولة باستخدام هذه المعادلة إذا كانت الكثافة والحرارة النوعية معلومتين. وتعد تقنية TD نهجاً فعالاً وقوياً لقياس الخصائص الفيزيائية للمواد، وذلك من خلال استخدام طولين مختلفين لنفس المادة.أخيراً، يمكننا قياس مجموع الموصلية، وبعض الانتشارية. وكذلك فاعلية السطح إذا كانت كثافة المادة وحرارتها النوعية معلومتين.

characterization-thermal-transport-one-dimensional-solid

Research

JoVE Journal

Engineering

الهندسة

نصف استخدام المزدوجات الحرارية الدقيقة لتقدير تدرجات درجات الحرارة المحلية في لهب انتشار الطبقة الحدودية الصفيحية الثابتة. من خلال امتداد تشبيه رينولدز ، يمكن استخدام تدرجات درجة الحرارة المحلية لتقدير معدلات حرق الكتلة المحلية وتدفقات الحرارة في مثل هذه اللهب بدقة عالية.

منهجية تجريبية لتقدير محلي الحرارة تدفقاتها وحرق الأسعار ثابتة رقائقي الحدود النيران انتشار طبقة

تصف المقالة بروتوكولا لمحاكاة ملامح درجة الحرارة العابرة والتباين الزماني المكاني المقترن لضغط السائل الخلالي بعد التسخين الناتج عن نظام ارتفاع الحرارة ثنائي القطب للترددات الراديوية. يمكن استخدام البروتوكول لتقييم استجابة المعلمات الفيزيائية الحيوية التي تميز البيئة المكروية للورم لتقنيات ارتفاع الحرارة التداخلي.

نهج النمذجة الحسابية للتحقيق في تأثير ارتفاع الحرارة على البيئة المكروية للورم

يعالج هذا البحث مشكلة ارتفاع درجة الحرارة للوحدة الرئيسية الحلقية من خلال إنشاء نموذج مبسط وإجراء تحليل مقارن في وحدتين لحل مجال درجة الحرارة.

دراسة مقارنة لمحاكاة ارتفاع درجة الحرارة في الوحدة الرئيسية الحلقية

تقدم هذه المقالة تقنية الانعكاس الحراري في مجال التردد (FDTR) لتوصيف وتصوير الحرارة غير التدميرية المحلية.

تقنية الانعكاس الحراري في مجال التردد لقياسات الخصائص الحرارية

بطاريات ليثيوم أيون قابلة للاشتعال تستخدم الشوارد العضوية المتطايرة والتي هي مناسبة لتطبيقات درجة الحرارة المحيطة. وثمة بديل أكثر أمانا لالشوارد العضوية هي بطاريات بوليمر صلبة. بطاريات بوليمر صلبة تعمل بأمان في درجات حرارة عالية (&gt; 120 ° C)، مما يجعلها تنطبق على التطبيقات ارتفاع في درجة الحرارة مثل التنقيب عن النفط العميقة والسيارات الكهربائية الهجينة. وستناقش هذه الورقة (أ) تركيب البوليمر، (ب) آلية التوصيل البوليمر، و (ج) توفير الدراجات درجة الحرارة لكل من البوليمر الصلبة والشوارد العضوية.

الحالة الصلبة الشوارد كوبوليمر الكسب غير المشروع ليثيوم تطبيقات البطارية

نقدم منصة فريدة لوصف السطوح الصلبة في القطب أكسيد خلايا الوقود (SOFCs) التي تسمح الأداء المتزامن لتقنيات توصيف متعددة...

التحقيق ورسم الخرائط أسطح الكهربائي في خلايا الوقود الصلبة أكسيد

تم وصف استخدام تصوير تباين توجيه الإلكترون في المجهر الإلكتروني الماسح لتوصيف العيوب في الأغشية الرقيقة غير المتجانسة III-V / Si. تسفر هذه الطريقة عن نتائج مماثلة للفحص المجهري الإلكتروني للإرسال ، ولكن في وقت أقل بكثير بسبب عدم وجود إعداد مطلوب للعينة.

الإلكترون توجيه التباين التصوير لرابيد III-V Heteroepitaxial توصيف

يمكن تحديد الخصائص البصرية والكهربائية والهيكلية للخلع وحدود الحبوب في مواد أشباه الموصلات من خلال التجارب التي يتم إجراؤها في المجهر الإلكتروني الماسح. تم استخدام المجهر الإلكتروني للتحقيق في تلألؤ الكاثودولي ، والتيار المستحث بشعاع الإلكترون ، وانعواج الإلكترونات المتناثرة عكسيا.

توصيف شامل العيوب الممتدة في المواد أشباه الموصلات من خلال مجهر المسح الإلكتروني

اليوروبيوم thenoyltrifluoroacetonate (EuTFC) لديه خط التلألؤ البصرية في 612 نانومتر، الذي يقلل بقوة مع درجة الحرارة كفاءة التنشيط. إذا عينة المغلفة مع طبقة رقيقة من هذه المواد متناهية الصغر تصوير، قد يتم تحويل نانومتر كثافة استجابة الانارة 612 إلى خريطة مباشرة لدرجة حرارة سطح العينة.

عالية الدقة الحراري مايكرو التصوير عن طريق اليوروبيوم كلات الفلورسنت الطلاء

تقدم هذه الورقة طريقة مفصلة لتوصيف المجهرية من المواد الحبيبات وnanocrystalline غاية في الدقة باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح مجهزة بنظام حيود تشتت ارتدادي الإلكترون القياسية. السبائك المعدنية والمعادن تقديم المجهرية المكررة وتحليلها باستخدام هذه التقنية، والتي تبين تنوع تطبيقاتها الممكنة.

توصيف محبب غاية في الدقة وNanocrystalline المواد عن طريق نقل كيكوتشي حيود

اكتشف تقنية التحليل الكهربائي الحراري العابر لقياس انتشار الحرارة في المواد الصلبة بأبعاد واحدة. تُستخدم هذه الطريقة لتحليل المواد الموصلة وغير الموصلة بدقة عالية.

توصيف النقل الحراري في المواد الصلبة ذات بعد واحد

استكشف المزيد من الفيديوهات