[發(fā)明專利]一種非接觸式測量單根納米線熱物性的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201911059006.5
• 申請日: 2019-11-01
• 公開（公告）號: CN110879220B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉錦輝;劉浩
• 申請（專利權(quán)）人: 南京理工大學
• 主分類號: G01N21/65
• 分類號: G01N21/65;G01N25/20;G01N25/18
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 張玲

1.一種非接觸式測量單根納米線熱物性的方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟(1)：聚焦激光同時作為加熱源和拉曼信號激發(fā)源，在真空環(huán)境中分別利用脈沖激光和連續(xù)激光照射傳感納米線，通過比較連續(xù)激光和脈沖激光加熱引起的溫升值實現(xiàn)消去激光吸收系數(shù)，獲得傳感納米線的熱擴散率和熱導率；其中所述傳感納米線具有較強拉曼信號和峰位隨溫度線性偏移特性；

步驟(2)：以傳感納米線作為特征溫度和熱流的傳感器，通過比較搭接待測納米線前后激光加熱傳感納米線相同位置造成溫升值的變化，獲得待測納米線的熱導率；

所述步驟(1)具體包括如下步驟：

步驟(1-1)：將單根傳感納米線的一端搭接在熱沉上形成懸臂結(jié)構(gòu)；

步驟(1-2)：聚焦連續(xù)激光照射傳感納米線懸臂的外端部，溫度隨加熱時間趨于穩(wěn)定值，根據(jù)拉曼信號偏移量獲得穩(wěn)態(tài)溫升值，建立穩(wěn)態(tài)導熱方程；

步驟(1-3)：將連續(xù)激光經(jīng)電光調(diào)制器和延時器調(diào)制得到方波脈沖激光，方波脈沖激光照射傳感納米線上與步驟(1-2)中相同的位置，建立方波脈沖激光加熱階段的半無限大邊界條件非穩(wěn)態(tài)導熱方程；

步驟(1-4)：脈沖激光加熱時段τ_h內(nèi)溫度上升值在無光時間即降溫時間τ_c內(nèi)降至零；通過對多個相同的脈沖激光加熱-降溫周期內(nèi)的拉曼信號進行累積，獲得足夠強度的拉曼散射光譜，并據(jù)此確定拉曼偏移量和溫升值，建立降溫階段的非穩(wěn)態(tài)導熱方程，用于確定降溫所需時間；

步驟(1-5)：通過比較、求解步驟(1-2)的穩(wěn)態(tài)導熱方程和步驟(1-3)的非穩(wěn)態(tài)導熱方程，獲得傳感納米線的熱擴散率；

所述步驟(2)具體包括如下步驟：

步驟(2-1)：將待測納米線一端搭接在熱沉上，另一端搭接在傳感納米線上；

步驟(2-2)：利用電子束沉積Pt將傳感納米線和待測納米線搭接節(jié)點焊接；

步驟(2-3)：利用聚焦亞微米激光在空氣燒斷不必要的傳感納米線及待測納米線；

步驟(2-4)：在搭接待測納米線前、后，聚焦連續(xù)激光應照射在傳感納米線上同一位置引起不同的溫升值，建立獨立的兩個穩(wěn)態(tài)導熱方程，求解方程組獲得待測納米線的熱導率；

所述傳感納米線為硅納米線或碳納米管；

所述步驟(1-2)中的穩(wěn)態(tài)導熱方程為：

式中，P₂為連續(xù)激光功率，θ(l)為連續(xù)激光的照射引起的溫升值，λ為熱導率，η為待測線激光吸收系數(shù)，A為橫截面積，l為樣品懸臂部分長度；

所述步驟(1-3)中建立方波脈沖激光加熱階段的半無限大邊界條件非穩(wěn)態(tài)導熱方程及其對應的初始和邊界條件為：

式中，θ為脈沖激光照射引起的瞬時溫升值，α為熱擴散率，τ為時間，λ為熱導率，η為待測線激光吸收系數(shù)，A為橫截面積，P₁為方波脈沖激光峰值功率，x為位置；

利用拉普拉斯變換和逆變換，求解方程(2)得到沿傳感納米線長方向溫度隨時間的變化如下式：

所述步驟(1-4)中的降溫階段的非穩(wěn)態(tài)導熱方程，及降溫時間的確定如下：

在無光照射時段范圍內(nèi)，沿傳感納米線長度方向上溫度隨空間位置和時間的變化規(guī)律如式(4)，根據(jù)該式可以確定合適的降溫時間τ_c；

其中，l為樣品懸臂部分長度，q為待測納米線吸收光形成的熱流密度，τ_h為加熱激光脈沖時長，β_m＝(m-1)π/2/l，m＝1,2,3,4……；

連續(xù)激光同時作為加熱源和拉曼信號激發(fā)源，因此只有激光加熱點位置溫度是可以測得的量，該點位置的溫度隨激光加熱時間的變化如下所示：

在脈沖激光加熱時間τ_h時段內(nèi)，通過溫升值對時間的加權(quán)平均可以得到脈沖激光照射點處的時均溫升值如下式：

其中，為方波脈沖激光加熱點位置0～τ_h時段內(nèi)的平均溫升值；

通過兩個不同時間段0～τ_h,1和0～τ_h,2內(nèi)累積的光譜相減獲得一個較短時間范圍τ_h,1～τ_h,2內(nèi)的平均溫升值；τ_h1～τ_h2時間段內(nèi)激光照射點位置的時均溫升值如下式：

其中，為方波脈沖激光加熱點位置τ_h,1～τ_h,2時段內(nèi)平均溫升值；

聯(lián)立所述方程(1)和(7)，通過求比值消去未知量η，求得傳感納米線的熱擴散率：

其中，為方波脈沖激光加熱點位置τ_h,1～τ_h,2時段內(nèi)平均溫升值；

所述步驟(2-4)建立獨立的兩個穩(wěn)態(tài)導熱方程，求解方程組獲得待測納米線的熱導率具體包括如下步驟：

步驟(2-4-1)：去除待測納米線之前，傳感納米線吸收連續(xù)激光向熱沉傳導，建立的穩(wěn)態(tài)導熱方程如下：

步驟(2-4-2)：在緊靠搭接節(jié)點位置用強激光燒斷傳感納米線，根據(jù)激光加熱溫升值建立此時的穩(wěn)態(tài)導熱方程：

θ_a＝η(P_a,h-P_a,l)R_s,1 (10)

聯(lián)立式(9)和(10)，求解得到待測納米線熱阻的表達式：

式中，R_f為待測納米線的熱阻，θ_b為切斷待測傳感納米線之前激光加熱溫升值，θ_a為燒斷傳感納米線之后激光加熱溫升值，P_b,h和P_b,l分別為燒斷傳感納米線之前的高功率激光的功率和低功率激光的功率，P_a,h和P_a,l分別為燒斷傳感納米線之后的高功率激光的功率和低功率激光的功率，R_s＝R_s,1+R_s,2為傳感納米線總熱阻，R_s,1為激光加熱點到熱沉的傳感納米線熱阻，R_s,2為激光加熱點到線搭接節(jié)點的傳感納米線熱阻。