微納米材料和結構熱物理特性表征

前言

本書是一部系統(tǒng)介紹微納米材料和結構熱物理特性表征的著作。書中詳細論述了諧波法、激光抽運－探測技術和掃描熱顯微技術等微空間／微時間尺度實驗測量技術的系統(tǒng)構建、技術難點和技巧以及在納米尺度材料（納米薄膜、碳納米管、納米管陣列、納米流體等）熱物性實驗表征中的應用，并對碳納米管的熱導率進行了詳細的理論表征。這些對于微／納米尺度傳熱學的實驗研究具有較實用的參考價值。本書主要側(cè)重在作者課題組研究比較多的3w技術、激光光熱反射掃描熱探測技術、閃光法和超高時空分辨的皮秒／飛秒激光抽運－探測技術。全書結構安排如下：第1章為緒論。第2章重點介紹3w法測量原理、實驗系統(tǒng)構建以及在單層納米薄膜、單根碳纖維、單根碳納米管、碳納米管陣列等的熱物性實驗表征方面的應用。第3章首先介紹3w法、光熱反射法、拓展的周期交流量熱法在多層薄膜熱導率和熱擴散率重構方面的應用，然后介紹掃描熱顯微鏡系統(tǒng)在薄膜面向熱導率分布研究中的應用，最后介紹基于光熱反射技術的掃描熱顯微鏡在探測表面下埋藏熱結構信息方面的應用。第4章介紹皮秒／飛秒激光抽運－探測技術，重點介紹系統(tǒng)搭建、實驗關鍵點以及在超快激光加熱下金屬薄膜的熱波傳遞規(guī)律研究中的應用。第5章首先介紹聲子輸運理論、分子動力學模擬等方法在碳納米管熱導率預測中的應用，然后采用非傅里葉導熱模型對超快激光加熱下金屬薄膜內(nèi)部的導熱過程進行數(shù)值模擬。第6章介紹3（O線法和短線法進行納米流體熱導率的表征技術。本書第1章及第2、第3章部分內(nèi)容由中國科學院工程熱物理研究所唐大偉撰寫，其他均由中國石油大學（華東）王照亮撰寫，全書由唐大偉統(tǒng)一審核。

內(nèi)容概要

　　《微納米材料和結構熱物理特性表征》在微空間／時間尺度實驗研究方面，系統(tǒng)介紹了3w法測量原理、實驗系統(tǒng)構建和不同測量條件下3w加熱器在頻域內(nèi)的溫度波動規(guī)律以及該方法在基體表面單層納米薄膜、單根碳纖維、單根碳納米管、碳納米管陣列以及納米流體等微觀尺度材料熱物性實驗表征方面的應用；詳細講述了3w法、光熱反射法、拓展的周期交流量熱法在多層薄膜熱導率、熱擴散率重構方面的應用，并且詳細介紹了基于掃描探針的各種掃描熱顯微鏡系統(tǒng)在薄膜的面向熱導率分布研究中的應用，基于光熱反射技術的掃描熱顯微鏡在探測表面下微／納米尺度埋藏熱結構信息方面的應用以及微時間尺度下超高時空分辨的皮秒／飛秒激光抽運-探測技術。在理論研究方面，重點介紹了聲子輸運理論、分子動力學模擬等方法在碳納米管熱導率預測中的應用。并且采用不同的非傅里葉導熱模型對超快激光加熱下金屬薄膜內(nèi)部的導熱過程進行了數(shù)值模擬。《微納米材料和結構熱物理特性表征》既可作為材料科學、能源、熱物理專業(yè)的高年級大學生和研究生的教材，也可作為相關科研人員的參考書。

書籍目錄

前言第1章 緒論1.1 微空間尺度：微納米材料、結構熱物性表征1.2 微時間尺度：微納米材料熱輸運機理表征第2章 微空間尺度材料熱物性的實驗表征2.1 3w諧波探測技術2.1.1 3w法背景2.1.2 3w法原理2.1.3 3w法實驗系統(tǒng)2.1.4 3w法傳熱模型分析2.1.5 應用2.1.6 3w法發(fā)展趨勢2.2 光熱探測技術2.2.1 閃光法2.2.2 光熱反射法2.2.3 光熱透射率法2.3 光聲法2.4 其他方法2.4.1 熱導法測量納米管熱物性2.4.2 短線法參考文獻第3章 微空間尺度結構熱物性實驗表征3.1 多層微納米結構垂直面方向熱物性重構3.1.1 3w法測量多層薄膜熱物理性質(zhì)3.1.2 周期加熱法測量多層薄膜熱物性3.1.3 周期交流量熱法測量多層薄膜的熱擴散率3.2 微納米結構面方向熱物性重構3.2.1 基于掃描探針的掃描熱顯微鏡3.2.2 基于光熱掃描的熱成像3.2.3 光熱掃描的數(shù)值模擬分析3.2.4 結淪參考文獻第4章 微時間尺度熱輸運過程的實驗表征4.1 皮秒激光抽運－探測熱反射系統(tǒng)4.1.1 皮秒激光抽運－探測熱反射測試系統(tǒng)描述4.1.2 基體表面納米薄膜熱擴散率測量結果4.2 飛秒激光抽運－探測熱反射技術4.2.1 實驗原理4.2.2 飛秒激光抽運－探測實驗系統(tǒng)建立4.2.3 實驗過程中的關鍵問題4.2.4 Au膜熱輸運過程實驗測量4.3 飛秒時間／納米空間分辨抽運－探測系統(tǒng)參考文獻第5章 微／納米尺度熱輸運特性的理論表征5.1 概述5.2 聲子輸運理論預測碳納米管熱導率尺度和溫度效應5.2.1 求解BP方程預測單壁碳納米管熱導率5.2.2 波矢模型預測單壁碳納米管熱物性5.2.3 基于連續(xù)模型預測多壁碳納米管熱物性5.2.4 基于原子模型預測多壁碳納米管熱物性5.3 分子動力學模擬單壁碳納米管熱物性5.3.1 研究現(xiàn)狀5.3.2 理論基礎5.3.3 數(shù)值計算方法與程序設計5.3.4 分子動力學模擬結果分析5.3.5 單壁碳納米管熱導率的量子修正5.3.6 碳納米管－硅晶體間界面熱導的分子動力學模擬5.4 微時間尺度超常熱輸運過程5.4.1 激光加熱金屬問題與理論模型5.4.2 不同導熱行為的數(shù)值模擬及分析參考文獻第6章 納米流體熱物理參數(shù)實驗和理論表征6.1 3w法測量納米流體熱物性6.1.1 測量原理6.1.2 實驗系統(tǒng)及條件分析6.1.3 3w方法測量液體熱參數(shù)的影響因素分析6.1.4 實驗結果與分析6.2 短線法測量納米流體熱物性6.2.1 測量原理6.2.2 實驗系統(tǒng)與實驗結果6.3 納米流體熱輸運機理參考文獻附錄 平衡分子動力學模擬單壁碳納米管熱導率程序代碼

章節(jié)摘錄

插圖：在納米技術應用領域，微／納米尺度材料、器件等熱參數(shù)的測量是目前面臨的一個重要挑戰(zhàn)。迄今為止，由于對微納米材料熱物理性質(zhì)數(shù)據(jù)的需求，人們發(fā)展了多種測試方法。測試熱導率和熱擴散率的方法主要有接觸式和非接觸式測量法，如Parker等的閃光法、Hatta等的交流量熱法、光聲法、Kading等的光熱反射法、光熱偏轉(zhuǎn)法等。上述方法一般不能直接測試熱導率而是直接測量熱擴散率，然后導出熱導率，測量結果的準確度與熱容等的不確定度有關。此外，上述方法對于基體表面薄膜熱參數(shù)的測量限制比較大，對碳纖維和碳納米管的熱性能表征無能為力。

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