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- 基于獨立型傳感器測量微尺度熱物性
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2015/1/22
在膜蒸餾領(lǐng)域，微孔膜的熱導(dǎo)率直接決定著膜蒸餾工藝的熱效率，因此，其精確測量一直是研究熱點。然而，該類微孔膜的厚度往往小于100微米，在該尺度下，常規(guī)熱物性表征技術(shù)已不再適用，造成了熱導(dǎo)率實驗表征的困難。
關(guān)于微孔膜熱導(dǎo)率精確表征的實驗技術(shù)十分罕見，大部分膜蒸餾材料學(xué)家僅能依賴簡單的多孔材料熱傳導(dǎo)計算公式（如串聯(lián)模型、并聯(lián)模型、串并聯(lián)混合模型）估算商用微孔膜的等效熱導(dǎo)率值。因此，開發(fā)適用于數(shù)十微米厚微孔膜的熱導(dǎo)率測量技術(shù)變得日益迫切。
近日，中國科學(xué)院工程熱物理研究所傳熱傳質(zhì)研究中心科研人員針對這一微尺度熱物性測量難題進(jìn)行了較深入研究�？蒲腥藛T提出了一種自適應(yīng)基于獨立型傳感器的3ω技術(shù)（圖1、圖2），通過分別測試5層對稱結(jié)構(gòu)（基底-微孔膜-傳感器-微孔膜-基底）及作為對照組的3層對稱結(jié)構(gòu)（基底-傳感器-基底）的獨立型傳感器的溫度響應(yīng)信號（圖1），結(jié)合提出的數(shù)學(xué)模型，可以較為準(zhǔn)確地得到數(shù)十微米厚微孔膜的有效熱導(dǎo)率。
圖1 (a) 對稱5層（基底-微孔膜-傳感器-微孔膜-基底）表征結(jié)構(gòu)示意圖，(b)作為對照組的對稱3層（基底-傳感器-基底）表征結(jié)構(gòu)。曲線圖表示不同表征結(jié)構(gòu)對應(yīng)的頻域內(nèi)獨立型傳感器的溫度響應(yīng)信號。
研究表明本技術(shù)對于三類典型商用膜蒸餾微孔膜：聚四氟乙烯（PTFE，45 μm厚）、聚丙烯（PP，44 μm厚）和聚偏氟乙烯（PVDF，177 μm厚）的熱導(dǎo)率測量結(jié)果與參考結(jié)果吻合很好。研究進(jìn)一步定量了測試結(jié)構(gòu)外界負(fù)載（圖3）、微孔膜厚度及界面接觸熱阻對測量精度的影響，給出了確保測量精度的最佳實驗條件。該工作提出的高自適應(yīng)性方案為各類膜蒸餾領(lǐng)域用微孔膜熱物性表征提供了最有希望的候選技術(shù)之一�！�
圖2 用于微孔膜測量的自適應(yīng)基于獨立型傳感器的3ω系統(tǒng)，包含：信號發(fā)生器、鎖相放大器、前置放大器、運算模塊（運放、低溫漂電阻）及計算機自動控制系統(tǒng)。
圖3 觀測到的熱阻增量隨不同負(fù)載壓力的變化曲線：(a)單層PVDF177薄膜及(b)三層 PTFE45薄膜樣品。
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