一次元固体材料の熱輸送のキャラクタリゼーション

このビデオの目的は、過渡電熱法を紹介することです。この手法は、固体材料の熱拡散率を正確に測定するための有効な方法です。測定を開始するために、試料を2つの銅電極の間に吊り下げます。

熱および電気的な接触抵抗を無視できるレベルまで低減するため、試料の電極接点領域に銀ペーストを塗布します。その後、空気への熱伝達を抑えるため、試料全体を真空チャンバー内に収容します。測定中は、試料にステップ電流を流し、ジュール加熱を誘起させます。

誘導電圧の時間プロファイルがオシロスコープによって記録されます。試料の熱拡散率が高いほど、温度変化が速くなり、定常状態に達するまでの時間が短くなります。したがって、この過渡的な電圧温度変化を用いて熱拡散率を決定することができます。

サンプルの熱拡散率に異なる試行値を適用し、正規化した実験的な温度上昇の理論的フィッティングを行います。実験データに最も適合した値が、サンプルの熱物性値として採用されます。詳細な理論的背景については、原稿を確認してください。

TD法には、従来の手法と比較していくつかの利点があります。第一に、測定可能な材料の範囲が広がったことです。これにより、導電性材料と非導電性材料の両方を測定することが可能になりました。

第二に、環境精度と安定性が大幅に向上します。本研究では、大学院生のJuan Linがその手順を説明します。30歳の健康な女性から採取したヒト頭髪サンプルを用いて、実験のセットアップ方法および実験データの処理方法を示します。

まず、試料を2本の銅電極の間に吊り下げます。次に、熱および電気的な接触抵抗を無視できるレベルまで下げるため、試料と電極の接触領域に銀ペーストを塗布します。その後、顕微鏡を用いて試料の事前確認を行います。

銀ペーストが毛髪の長さに沿ってさらに浸透し、吊り下げられた試料を汚染していないかを確認する必要があります。毛髪が銀ペーストで汚染されると、熱特性が劇的に変化してしまいます。汚染が認められた場合は、実験のために新しい試料を準備する必要があります。

ヒトの頭髪サンプルは電気伝導性を持たないため、導電性を持たせるためにサンプルの表面に約40 nanometersの非常に薄い金膜をコーティングします。この金膜が熱拡散率に及ぼす影響は、最終的な結果から差し引かれます。実験データを処理する際は、サンプルを真空チャンバーに入れ、1から3 milourまで排気することで、ガスの伝導による影響を無視できるレベルにします。

次に、サンプルにステップ状のDC電流を流し、電気的な加熱を行います。誘導電圧の時間的プロファイルがオシロスコープによって記録されます。最後に。

走査型電子顕微鏡を用いて、試料の長さと直径を評価します。正規化された実験的な温度上昇の理論的フィッティングは、試料の熱拡散率に異なる試行値を適用して行います。実験データに最も適合した値が、ヒト頭髪試料の熱物性値として採用されます。

2つの試料にそれぞれ2回ずつ金膜をコーティングし、測定を行いました。原稿の式12から、4つの有効熱拡散率が得られました。試料に金膜をコーティングしても、変化するのは抵抗のみであることがわかります。

フィッティング曲線が熱拡散率軸と交わる点は、抵抗が無限大であるときの有効熱拡散率の値であり、これはゴールド効果がないことを意味します。これら2つの点を組み合わせることで、放射効果を含む実際の熱拡散率とL²/Dとの関係を明らかにできます。L=0の点（放射効果がないことを意味する）まで線形外挿を行うと、その点における熱拡散率は1.42 × 10⁻⁷ m²/sとなります。

この値は、金コーティングによる放射の影響を除いたサンプルの熱拡散率を反映しています。密度と比熱が分かれば、この式を用いて実際の熱伝導率を容易に算出できます。TD法は、材料の物理的特性を測定するための非常に有効かつ堅牢なアプローチであり、同一材料について2つの異なる長さを用いて測定することが可能です。

最後に、総接続性と拡散率を測定できます。また、材料の密度と比熱が与えられている場合は、表面有効性も算出可能です。