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  本文關(guān)鍵詞：薄膜材料熱物性及其測試新裝置的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《上海交通大學(xué)》 2012年

薄膜材料熱物性及其測試新裝置的研究

蔡岸  

【摘要】：近二十年來，隨著納米技術(shù)、微電子技術(shù)和微電子機械系統(tǒng)(MEMS)等許多新興技術(shù)的迅速發(fā)展，材料研發(fā)的低維化發(fā)展趨勢方興未艾，，取得了突破性進展，并已在眾多高新技術(shù)和傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。低維材料包括二維材料微/納米薄膜、一維材料納米管/線和零維材料納米顆粒，已涵蓋了金屬、無機非金屬和有機高分子三大材料領(lǐng)域。作為二維材料的薄膜的熱物理性質(zhì)與三維體材料特異性更加明顯，不同材質(zhì)的薄膜，因方法和工藝的不同，薄膜的微結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)和缺陷等不同導(dǎo)致熱物理性質(zhì)出現(xiàn)較大差異。薄膜材料研究和應(yīng)用的快速發(fā)展，以及微納尺度傳熱學(xué)的不斷深入，極大地促進了薄膜材料熱物理性質(zhì)的行為和理論以及測試新裝置的研究，其中薄膜材料熱物理性質(zhì)的特異性及其與材料組分、微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系研究也成為前沿和熱點課題。 本論文基于激光閃光法，采用納秒寬度激光器提供加熱脈沖，納秒響應(yīng)碲鎘汞紅外探測器作為非接觸溫度探測器并輔以精密紅外聚焦系統(tǒng)，高速示波器作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，研制了測量薄膜材料熱擴散率的新裝置，并集成了熱膨脹測量組件，構(gòu)成多功能熱物性測量裝置。經(jīng)校驗，該裝置實現(xiàn)了在-50~300℃溫區(qū)、測試厚度1～500μm、包括金屬、非金屬、有機高分子三類薄膜材料的快速測量。以該裝置為平臺，結(jié)合掃描電鏡、透射電鏡等微觀表征手段，選擇目前國內(nèi)微電子和國防領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用且迫切需要熱物性數(shù)據(jù)的聚酰亞胺復(fù)合薄膜、鋁陽極氧化薄膜和聚乙烯納米陣列，開展了薄膜熱物性行為及其與微觀結(jié)構(gòu)之間關(guān)系和規(guī)律的研究。 聚酰亞胺(PI)應(yīng)用廣泛，PI的低維化以及采用納米材料進行雜化制備納米復(fù)合薄膜材料來改善PI的性能，已成為近年來材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。本工作采用新的半透明材料測試模型，簡化了激光閃光法測試半透明材料的實驗鍍膜工藝，并通過半透明氧化鋁陶瓷和PI薄膜的測試進行了驗證。對聚酰亞胺（PI）復(fù)合薄膜的測試研究表明，PI/SiO_2和PI/C復(fù)合薄膜的比熱隨著添加物的增多而下降，符合復(fù)合材料比熱加和原理；納米顆粒的加入，限制了聚合物分子鏈的自由膨脹，導(dǎo)致復(fù)合薄膜的熱膨脹系數(shù)隨著添加物的增多而下降；熱導(dǎo)率隨添加物含量增加而增大，PI薄膜從0.17W/(m·K)上升到添加20wt％納米顆粒后的0.64W/(m·K)，但并沒有改變熱導(dǎo)率隨溫度而增大的非晶態(tài)材料的固有規(guī)律。復(fù)合薄膜的熱導(dǎo)率隨由于納米顆粒局部聚集，導(dǎo)致添加物含量較高時，復(fù)合薄膜熱導(dǎo)率增加較大。通過對復(fù)合材料熱導(dǎo)率預(yù)測模型的研究表明，復(fù)合薄膜熱導(dǎo)率由于納米顆粒添加物團聚更加明顯，三維體材料熱導(dǎo)率預(yù)測模型不適合此類復(fù)合薄膜熱導(dǎo)率的預(yù)測。 采用恒壓陽極氧化法制備了0.9~5μm亞微米到微米量級4種不同厚度的的廣泛應(yīng)用的熱控陽極氧化鋁膜，實驗研究了氧化鋁膜在220～480K導(dǎo)熱性能及其隨溫度變化的規(guī)律。結(jié)果顯示，氧化鋁膜在厚度較薄時，結(jié)構(gòu)較為疏松，隨厚度變厚，氣孔率變小，從而導(dǎo)致熱擴散率隨著厚度增大。2.5μm厚度的陽極氧化鋁膜220K時熱導(dǎo)率為1.22W/(m·K)，室溫?zé)釋?dǎo)率為1.4W/(m·K)，480K時為1.71W/(m·K)，大大低于氧化鋁體材料的熱導(dǎo)率值。由于氧化鋁膜的微觀結(jié)構(gòu)為無定形非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，測試結(jié)果顯示的非晶態(tài)導(dǎo)熱行為特征與最小熱導(dǎo)率模型計算得到的熱導(dǎo)率溫度趨勢一致；不同測量方法的結(jié)果比較表明非穩(wěn)態(tài)方法更適合在室溫附近的熱導(dǎo)率測量。 對納米孔模板潤濕技術(shù)制備的低密度聚乙烯（LDPE）和高密度聚乙烯（HDPE）納米線陣列的實驗研究證實聚合物納米線陣列具有較高的熱導(dǎo)率，室溫?zé)釋?dǎo)率達到2.2W/(m·K)和10W/(m·K)，大約比聚乙烯體材料的熱導(dǎo)率高二個量級，并且納米線陣列的熱導(dǎo)率隨溫度的升高略有增大。估算得到室溫下單根LDPE納米線的熱導(dǎo)率高于5W/(m·K)，室溫下直徑100nm和200nm的單根HDPE納米線的熱導(dǎo)率分別為26.5W/(m·K)和20.5W/(m·K)。納米線陣列的分子鏈拉伸之后定向排列能大大提高熱導(dǎo)率，對基于低維效應(yīng)強化聚合物納米結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性質(zhì)具有重要的意義。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TB383.2;O484
【目錄】：

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中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 賀燕萍;基于電沉積法制備鎳納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)薄膜材料的研究[D];上海交通大學(xué);2010年

2 齊俊杰;水溶性刺激響應(yīng)碳納米角的制備與表征[D];天津大學(xué);2010年

3 郝麗媛;納米TiO_2薄膜材料的制備及其光電特性與光催化活性的研究[D];內(nèi)蒙古師范大學(xué);2010年

4 楊微;納米二氧化鈦的復(fù)合改性及其光催化性能的研究[D];沈陽工業(yè)大學(xué);2010年

5 杜潔;摻雜納米碳化硅薄膜的制備及光學(xué)特性研究[D];河北大學(xué);2008年

6 王艷明;鎳氫電池正極材料納米氫氧化鎳的合成新方法研究[D];天津大學(xué);2010年

7 李偉;聚合物/氫化鈦制備納米鱗片與復(fù)合涂膜防腐性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年

8 張寶華;低維納米超結(jié)構(gòu)材料的可控合成及其性能的研究[D];廣西師范大學(xué);2011年

9 李嬌莉;退火方式對生物成像用紅色納米磷光材料性能的影響[D];東北師范大學(xué);2011年

10 朱元清;在球形聚合物刷反應(yīng)器中制備納米貴金屬及其催化活性研究[D];華東理工大學(xué);2012年

  本文關(guān)鍵詞：薄膜材料熱物性及其測試新裝置的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：93356