激光闪光法测量碳纳米管复合材料热导率

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1、中国工程热物理学会传热传质学学术会议论文编号：093455激光闪光法测量碳纳米管复合材料热导率宁波，陈民（清华大学工程力学系，北京100084）(Tel:010-62773776,Email:mchen@tsinghua.edu.cn)摘要：搭建了激光闪光法测试微细尺度材料热导率系统平台并测量了金属钛、镍、锆、钨等薄膜材料的热导率，验证了实验系统的准确度和可靠性。同时测量了碳纳米管复合材料PMMA/ACNTs的轴向和径向的热导率。关键词：激光闪光法热导率碳纳米管复合材料0前言碳纳米管具有很高的长径比，且具有良好的导热和力学、光学和导电等性能。很多学者将CNTs作为“超级纤

2、维”来增强复合材料，并合成了一些功能复合材料。近年来有关碳纳米管复合材料的研究已成为碳纳米管应用研究的热点之一。准确获取碳纳米管复合材料的热物性参数能为研发新型复合材料提供了和技术支持。闪光法测量热导率是[1][2][3]1961年由Parker最早提出的，经J.A.Cape，W.P.Leung等学者的研究发展而不断完善。该方法具有所用试样小，测速快，温度范围宽，精度高等优点。商业化的激光闪光测试系统一般是测量体材料，对试样厚度大小要求严格，难以测量0.1mm以下的薄膜材料如定向生长碳纳米管复合材料。本文搭建了适用于微小试样的激光闪光法实验测试系统，适用于测量厚度为0.0

3、1mm－1.5mm的试样。清华大学机械[4]系梁吉教授课题组采用定向碳纳米管阵列为复合材料骨架,将PMMA单体(甲基丙烯酸甲酯)进行原位聚合,制备了一系列新型碳纳米管复合材料PMMA/ACNTs，并对其中一[5]些的性能进行了研究，但由于试样尺寸较小，没有测出径向热导率。本文通过自行搭建的激光闪光系统测量了定向碳纳米管含量5％的PMMA/ACNTs的轴向和径向热导率。1实验原理考虑初始温度恒定，一定厚度L的平板如图1所示。在t=0时刻平板的前表面x=0均匀地受到瞬间激光热脉冲的加热。在如下的假设下:试样为均匀材料,热传导是试样中唯一的传热方式;试样内的热流是一维的;加热脉

4、冲被表面无限薄的区域均匀吸收;试样表面没有热损失;在窄的温升范围内试样的物性不随温度变化;加热脉冲时间远小于背面温度上升时间;上述问题就成为绝热表面的有限介质中的瞬间热传导问题。2∂TT1∂对于一维传热模型，其导热微分方程为：=⋅（1）2∂xα∂t资助项目：国家重点基础研究发展计划项目（NO.2007CB936803）考虑到激光被材料表面很薄的区域吸收，其初始条件为：（2）QTx(,0)=≤,0xl<ρclTx(,0)0,=≤lxL<按照一维非稳态传热模型进行求解，可以得到材料的温升方程为：Q∞nxππn22（3）Txt(,)=+12cos∑exp−2at

5、ρcLn=1LL其中最大温升为TQc=/ρl，进一步可以得到材料的归一化温升为：m∞22nnπ（4）VLt(,)12(1)exp=+∑−−2atn=1L图1激光闪光法测量示意图在实验中令V等于0.5，即表示温升为最大温升的一半，通过示波器读出温升时间t，通过螺旋测微器测量得到试样的厚度，根据上式就可以求出该试样的热扩散率。当材料的密度和比热确定时，可以根据ac=λ/ρ，进一步求出材料的热导率。2实验测试系统实验装置主要分为三部分:光学部分（激光光源系统），测温系统（红外探测系统)，数据采集和处理系统（数字示波器、计算机）。激光器发射1064nm

6、单脉冲激光，照射到待测试样的前表面，通过红外探测器探测试样的背面，可以得到温度变化曲线，通过数字示波器记录待测试样的背面温升，并将数据传入计算机，经过数据处理和计算后可以测出材料的热导率。其中激光器为He：Nd激光器，脉冲时间为10ns,波长可调（1064nm/532nm），最大输出能量为250mJ。红外探测器系统的主要包括红外探测器，前置放大器，低通滤波器，外接电源以及聚焦镜头等，其综合响应时间为10ns。3实验样品常温下（298K）锆、镍、钨、钛等金属薄膜由北京有色金属研究院提供，其纯度大于99.9％。碳纳米管复合材料PMMA/ACNTs由清华大学机械系梁吉教授课题组

7、制备。首先通过采用浮动裂解催化法在石英衬底上制备定向碳纳米管阵列。然后采用定向碳纳米管阵列为复合材料骨架,将PMMA单体(甲基丙烯酸甲酯)在定向碳纳米管阵列中原位聚合,得到碳纳米管在基体中均匀分散的PMMA/碳纳米管复合材料,其中定向碳纳米管含量为5％。通过对碳纳米管复合材料的轴向和径向进行20000倍扫描电镜分析（如图2，图3所示）。可以看到在PMMA中的碳纳米管基本上是定向排列，与基体结合较紧密。图2PMMA/ACNTs轴向电镜照片图3PMMA/ACNTs径向电镜照片4实验结果与分析测量了四种金属薄膜锆、镍、钨和钛以及碳纳