一维固体材料中热输运特性的表征

以下视频的总体目标是介绍瞬态电热技术。该技术是一种精确测量固体材料热扩散率的有效方法。测量开始时，将样品悬置于两个铜电极之间。

在样品电极接触区域涂抹银浆，以将热阻和电接触电阻降低至可忽略水平。随后将整个样品置于真空腔室中，以减少向空气的热传递。测量过程中，向样品通入阶跃电流，以产生焦耳加热。

示波器将记录感应电压随时间变化的曲线。样品的热扩散率越高，温度演化越快，即达到稳态所需的时间越短。因此，可通过该瞬态电压的温度变化来确定热扩散率。

通过使用样品的不同试算热扩散系数值，对归一化的实验温升进行理论拟合。将能够最好地拟合实验数据的值作为样品的热物性参数。有关详细的理论背景，请参阅论文原文。

TD 技术相较于过去人们所使用的技术具有多项优势。首先，它拓宽了我们可测量的材料范围，现在我们能够测量导电和非导电材料。

其次，它显著提高了环境准确性和稳定性。我们的研究生 Juan Lin 将在本研究中演示实验操作流程。实验采用一名30岁健康女性的头发样本，以展示如何设置实验并处理实验数据。

首先，将样品置于两个铜电极之间悬挂。然后在样品与电极的接触区域涂抹银浆，以将热阻和电接触电阻降低至可忽略的水平。接下来，使用显微镜对样品进行初步检查。

我们必须确保银浆未沿毛发长度进一步渗透，从而污染悬空的样品。一旦毛发被银浆污染，其热学性质将发生显著改变。若发现任何污染，需为实验重新制备新的样品。

由于人类头发样本不具有导电性，需在样本表面镀上一层约40纳米厚的超薄金膜，以使其具备导电性。该金膜对热扩散系数的影响将在最终结果中予以扣除。处理实验数据时，现将样本放入真空腔室并抽真空至1至3毫托，从而使得气体导热效应可忽略不计。

然后将一个阶跃直流电流通过样品以产生电加热。示波器将记录感应电压随时间变化的曲线。最后。

将使用扫描电子显微镜表征样品的长度和直径。通过采用样品热扩散率的不同试算值，对归一化的实验温升进行理论拟合。使实验数据拟合效果最佳的数值即被视为人体头发生样品的热学性能参数。

两个样品分别进行两次金膜镀层，并各自测试两次。我们得到四个有效的热扩散率，且由论文中的公式12可知，对样品镀金膜仅会改变其电阻。

拟合曲线与热扩散率坐标轴相交的点，即为电阻无穷大时的有效热扩散率值，这意味着不存在金膜效应。通过结合这两个点，可以揭示包含辐射效应的真实热扩散率与 L 平方除以 D 之间的关系。我们对 L 等于零的点进行线性外推，即无辐射效应的情况，该点处的热扩散率为 1.42 × 10⁻⁷ 米²/秒。

该数值反映了样品在无辐射影响及金涂层影响下的热扩散率。若已知材料的密度和比热容，则可通过此方程轻松计算实际热导率。TD技术是一种非常有效且稳健的方法，可用于测量相同材料在不同长度下的综合物理性能。

最后，我们可以测量总连通性、某些扩散率，以及在给定材料密度和比热的情况下测量表面有效率。