[發明專利]一維材料的軸向熱導率的測定方法

有效

• 申請號: 201410681975.5
• 申請日: 2014-11-24
• 公開（公告）號: CN104359940A
• 公開（公告）日: 2015-02-18
• 發明（設計）人: 張霄;周維亞;解思深
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20;G01N25/18;G06F19/00;B82Y35/00
• 代理公司: 北京智匯東方知識產權代理事務所(普通合伙) 11391
• 代理人: 范曉斌;郭海彬

技術領域

本發明涉及納米材料技術領域，尤其是涉及一種一維材料的軸向熱導率的測定方法。

背景技術

一維材料，尤其是一維納米材料，是一種在兩個幾何維度上尺寸極小而在另一個幾何維度上尺寸接近或達到宏觀水平的材料。這種材料具有一些宏觀材料所不具備的特殊的優良介觀性能，如對結構高度敏感的優異電學性能、優于宏觀材料的熱學、光學性能等。因此，這種材料具有廣闊的應用前景。

然而由于其極小的尺寸，表征其形貌只能借助于掃描電子顯微鏡甚至透射電子顯微鏡等昂貴設備，且步驟繁瑣，對樣品制作過程和樣品性質要求很高。在應用或者表征時有效的操控也同樣是十分困難的。所以就亟需一種使得一維材料在光學顯微鏡下可見化的方法。目前雖然已有一些一維材料可見化方法被報道，但目前所存在的方法操作復雜且不可逆，容易導致一維材料喪失本身特有的優異性能。

一維材料本身的物理性能的準確測定對于這種材料的應用是必不可少的。而這種材料的熱學、光學等物理性能的測定一直比較困難。比如在熱學中熱導率的測量，需要得到被測物質在特定位置的準確溫度，或者某一個截面通過的熱功率值。另外，對于橫截面積極小的一維材料，還需要定位精度要能精確到至少微米級別，用傳統的紅外測溫儀很難實現如此小的探測精度和空間精度。另一方面，一維材料本身極小的尺寸導致其熱容量極小。使用傳統的接觸式測溫方法時，當宏觀尺度溫度探針接觸材料的時候也就導致材料本身的溫度產生了巨大的變化，嚴重影響一維材料的熱學狀態，阻礙熱學性質的測量。另外宏觀的物體觸碰一維材料也容易導致一維材料發生破損，破壞被測一維材料的物理性能，并且測量過程操作難度也很大。所以對于一維材料熱學性能的測定亟需一種非接觸式的、空間精度準確的方法。

另外，一維材料較小的尺寸也導致所測的熱學信號都是微弱的，這對于測量儀器要求較高，對測量用器件的設計和制備過程的要求也十分苛刻，所以如果有一種材料的熱學信號可以自己表現出來，而用另一種方法簡單探測這種自己表現出來的熱敏感的反應，會在實驗上大有裨益。

在光學性能測定方面，由于一維材料極小的尺寸導致與光相互作用區域很小，所以吸收截面、散射截面很小，根據已有的實驗設備要準確探知一維材料的光學信號過程復雜且所需設備昂貴。而一維材料本身的光致熱現象是一種材料與光相互作用后自發產生的響應信號，且這種熱響應隨著光強度和偏振的改變而改變，既可以降低測定過程中對于聚焦情況、光強波動等實驗因素的要求，還能反應材料本身對于光的不同的響應特征。

發明內容

本發明的目的旨在提供一種一維材料的軸向熱導率的測定方法，該方法利用一維材料的可見化方法(或稱為包裹方法)，巧妙運用光熱效果，利用易揮發物質的消失邊緣作為溫度指示坐標，從而測算一維材料軸向熱導率，該操作簡單，精度高。

為了實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供了一種一維材料的軸向熱導率的測定方法，包括步驟：

在一維材料上形成一包裹段和與包裹段鄰接的一裸露段；其中，在包裹段處，一維材料被不同于一維材料的包裹材料包裹；在裸露段處，一維材料暴露于周圍環境中；加熱一維材料直至使其達到熱穩定平衡狀態；獲得一維材料上的第一和第二參考點處的位置和在熱穩定平衡狀態下的溫度；其中，第一參考點為包裹段與裸露段的鄰接處的鄰接點；第二參考點選自裸露段不同于鄰接點的另一參考點；根據第一和第二參考點處的位置和溫度并基于預先建立的熱導率與第一和第二參考點處的位置和溫度的計算關系來計算以獲得熱導率。

進一步地，計算關系通過將裸露段和包裹段各自對應的一維穩態熱擴散方程進行關聯來建立。

進一步地，根據一維材料在鄰接點處的溫度的可微性來關聯裸露段和包裹段的一維穩態熱擴散方程。

進一步地，第一和第二參考點的位置和溫度作為裸露段的一維穩態熱擴散方程的兩個邊界條件；第一參考點的位置和溫度作為包裹段的一維穩態熱擴散方程的兩個邊界條件中的一個。

進一步地，包裹段的一維穩態熱擴散方程的兩個邊界條件中的另一個基于一維材料在無窮遠處的溫度為周圍環境的溫度來設定。

進一步地，計算關系為：