微纳米线物性参数综合测量系统的开发与应用

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微纳米线材具有与宏观材料显著不同的性能,在微纳机电系统传感器和微纳电子器件中有广泛的应用。由于宏观尺度下的测量方法难以适用于纳米尺度材料物性的表征,研发表征微纳米线材物性参数的方法和技术越来越引起广泛关注。本文开发了一套综合测量微纳米线材热物性、电物性和热电转换性能的高集成表征系统,提出了优化选型三准则,测量了钯基非晶合金纤维和KD-II型碳化硅纤维的电导率、热导率、塞贝克系数和优值系数,揭示了成分、制备工艺等因素影响材料物性参数的规律。基于交流加热-直流探测T型法的原理,本文提出了能够同时测量样品塞贝克系数和热导率的交流T型法。通过测量康铜细线的塞贝克系数和热导率,验证了交流T型法的精度。本文分析了辐射、几何尺寸、电导率变物性等因素对测量系统的不确定度和灵敏度的影响,提出了优化选型三准则,能够指导用户在样品制备阶段选择合适的热线和待测线长度,以达到最佳的测量灵敏度。本文开发了一套综合测量微纳米线材热物性、电物性和热电转换性能的高集成表征系统,实现了对微纳米线材在40K-500K范围内的自动综合测量,可测量的物性包括电导率、电阻温度系数、热导率、热扩散率、比热、吸热系数、塞贝克系数和优值系数。利用已知物性参数的铂和康铜细线进行了比对实验,校验了本系统的测量精度。在此基础上,对下列两种纤维材料进行了实验研究和理论分析。测量了钯基非晶合金纤维电导率、热导率、塞贝克系数和优值系数随环境温度的变化,揭示了成分、制备工艺等因素影响材料内非晶程度与物性参数的规律。研究发现,在Pd-Ni-Cu-P非晶合金中Pd含量越高,Cu含量越低时,合金的非晶程度越高;塑性变形法制备的样品中在长度方向的取向性更强,非晶程度更低。熔体冷却法样品非晶程度更高。样品的非晶程度越高,其输运能力越弱,且其输运性质与环境温度的依赖关系越小。测量了KD-II型碳化硅纤维的电导率、热导率、塞贝克系数和优值系数随环境温度的变化,提出了SiC纤维热导率与纤维中β-SiC尺寸、纤维拉伸强度的经验关联式。研究发现,碳化硅纤维热导率与其β-SiC尺寸近似呈现线性关系,与其拉伸模量近似呈指数型关系。
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