Tek boyutlu Katı Malzemelerin Termal Ulaştırma Karakterizasyonu

Aşağıdaki videonun genel amacı, geçici elektro-termal tekniği tanıtmaktır. Bu teknik, katı malzemelerin termal difüzyon katsayısını doğru bir şekilde ölçmek için etkili bir yoldur. Ölçüme başlamak için numune, iki bakır elektrot arasına asılır.

Termal ve elektriksel kontak dirençlerini ihmal edilebilir bir seviyeye indirmek için numune elektrot temas alanına gümüş pasta uygulanır. Daha sonra, havaya olan ısı transferini azaltmak için numunenin tamamı bir vakum odasına yerleştirilir. Ölçüm sırasında, Joule ısınması sağlamak amacıyla numune üzerinden basamaklı bir akım uygulanır.

İndüklenen voltaj zaman profili osiloskop ile kaydedilecektir. Numunenin daha yüksek bir termal difüzyon katsayısı, daha hızlı bir sıcaklık gelişimine, yani kararlı duruma ulaşmak için daha kısa bir süreye yol açacaktır. Bu nedenle, bu geçici voltaj sıcaklık değişimi, termal difüzyon katsayısını belirlemek için kullanılabilir.

Normalize edilmiş deneysel sıcaklık artışının teorik uyumu, numunenin termal difüzyon katsayısı için farklı deneme değerleri kullanılarak gerçekleştirilir. Deneysel verilere en iyi uyumu sağlayan değer, numunelerin termal özelliği olarak kabul edilir. Detaylı teorik arka plan için lütfen taslak metni inceleyin.

TD tekniklerinin, geçmişte kullanılan tekniklere göre çeşitli avantajları vardır. İlk olarak, ölçebileceğimiz malzeme kapsamını genişletir. Artık hem iletken hem de iletken olmayan malzemeleri ölçebiliyoruz.

İkinci olarak, çevresel doğruluğu ve stabiliteyi önemli ölçüde artırır. Lisansüstü öğrencimiz Juan Lin, bu çalışmadaki prosedürü gösterecektir. Deneyin nasıl kurulacağını ve deneysel verilerin nasıl işleneceğini göstermek için 30 yaşında sağlıklı bir kadından toplanan insan baş saçı örnekleri kullanılmıştır.

İlk olarak, numune iki bakır elektrot arasına asılır. Ardından, termal ve elektriksel temas dirençlerini ihmal edilebilir bir düzeye indirmek için numune elektrot temas alanına gümüş pasta uygulanır. Sonrasında, numunenin ön kontrolünü yapmak için mikroskop kullanılır.

Gümüş pastanın, saç teli boyunca daha aşağıya sızarak askıdaki örneği kontamine etmediğinden emin olmalıyız. Saç teli gümüş pasta ile kontamine olduğunda, termal özellikler ciddi şekilde değişecektir. Herhangi bir kontaminasyon fark edilirse, deney için yeni bir örnek hazırlanmalıdır.

İnsan baş saçı örnekleri elektriksel olarak iletken olmadığından, örneği elektriksel olarak iletken hale getirmek için dış yüzeyine yaklaşık 40 nanometre kalınlığında çok ince bir altın film tabakası kaplanır. Altının termal difüzyon üzerindeki bu etkisi nihai sonuçtan çıkarılacaktır. Deneysel veriler işlenirken, örneği vakum odasına yerleştirin ve gaz iletim etkilerini ihmal edilebilir düzeye indirmek için vakumu bir ila üç militora seviyesine pompalayın.

Ardından, elektriksel ısıtma sağlamak amacıyla numuneden basamaklı bir DC akım geçirilir. İndüklenen voltaj zaman profili osiloskop tarafından kaydedilecektir. Son olarak.

Numunelerin uzunluk ve çapını karakterize etmek için bir taramalı elektron mikroskobu kullanılacaktır. Normalize edilmiş deneysel sıcaklık artışının teorik uyumu, numunenin termal difüzyon katsayısı için farklı deneme değerleri kullanılarak gerçekleştirilir. Deneysel verilere en iyi uyumu sağlayan değer, insan baş saçı numunelerinin termal özelliği olarak kabul edilir.

İki numune, test edilen iki ayrı durumda altın film ile ikişer kez kaplanmıştır. Elimizde dört etkili termal difüzyon katsayısı bulunmaktadır ve taslaktaki denklem 12'den, numunenin altın film ile kaplanmasının yalnızca direnci değiştireceğini biliyoruz.

Uyum eğrisinin termal difüzyon katsayısı eksenini kestiği nokta, direncin sonsuz olduğu, yani altın etkisinin bulunmadığı durumdaki etkin termal difüzyon katsayısı değeridir. Bu iki nokta birleştirilerek, radyasyon etkisini içeren gerçek termal difüzyon katsayısı ile L kare bölü D arasındaki ilişki ortaya çıkarılabilir. L eşittir sıfır noktasına, yani radyasyon etkisinin olmadığı noktaya doğrusal bir ekstrapolasyon yapılır ve bu noktadaki termal difüzyon katsayısı 1,42 × 10⁻⁷ m²/s'dir.

Bu değer, altın kaplamanın etkisi altındaki radyasyon etkisinden bağımsız olarak numunenin termal difüzyivitesini yansıtır. Gerçek termal iletkenlik, özkütle ve özgül ısı değerleri biliniyorsa bu denklem kullanılarak kolayca hesaplanabilir. TD tekniği, aynı malzemenin iki farklı uzunlukta kullanılmasıyla malzemelerin bazı fiziksel özelliklerini ölçmek için oldukça etkili ve güvenilir bir yaklaşımdır.

Son olarak, toplam iletkenliği ve bazı difüzyon değerlerini ölçebiliriz. Ayrıca, malzemenin yoğunluğu ve özgül ısısı verildiğinde yüzey etkinlikliğini de belirleyebiliriz.