北科馮妍卉&邱琳Review of Scientific Instruments ：使用改良的線型3ω方法測量單個多孔聚酰亞胺纖維熱導率

[亮點]

1.揭示了在引入多孔結構后單個PPI纖維軸向導熱率顯著下降

2.為不導電絕熱材料熱導率的測量提供新思路

[介紹]

微尺度材料的熱物性精確測量一直都是新型材料熱物理特性研究的重點，目前大部分測量方法都是通過電信號對材料熱物性信息進行提取，難以完成對不導電材料的精確測量。然而例如多孔聚酰亞胺、等不導電隔熱材料在航空、航天及工業領域熱防護中占據重要地位。因此，基于現有微尺度測量方法，針對不導電微結構材料進行設計開發，探索出一條測量不導電材料熱導率的方法具有重大意義。

多孔聚酰亞胺（PPI）纖維在航空母艦、航天器及其他軍用尖端產品中舉足輕重，其應用對多個高新領域具有極好的應用前景。因此，了解其導熱性對于應用中的優化設計和熱管理十分關鍵，開發適用于單個PPI纖維的熱物理測量方法具有重要意義。

[成果簡介]

近日，北京科技大學馮妍卉教授課題組的邱琳副教授在儀器領域TOP期刊Review of Scientific Instruments 上發表了題為“Note: Thermal conductivity measurement of individual porous polyimide fibers using a modified wire-shape 3ω method ”的文章。該工作提出了一種不導電纖維的測量方法并完成了對PPI纖維的熱物性表征。作者制備了內部具有多尺寸孔徑且孔道隨機/均勻分布的PPI纖維，并通過在纖維表面沉積一層均勻鉑納米薄膜使其具有導電性。通過3ω法測量得到復合纖維的熱導率，其中包含了鉑納米薄膜熱導率的影響。為了排除該影響，引入橫截面比模型，通過導入纖維、鉑膜的尺寸和熱導率數據進行分析計算，得到了PPI纖維本征熱導率，同時發現纖維孔隙率越大（孔徑越大，分布越不均勻），熱導率越低的規律。該工作為PPI纖維熱物性提供了參考，同時也為不導電材料的微尺度測量方法提供了重要的參考。

?[圖文解析]

圖1 三種具有不同孔隙率的多孔聚酰亞胺纖維的SEM圖

（a）-（b）為三種多孔聚酰亞胺纖維截面圖（孔隙率依次增大），（d）-（f）為三種多孔聚酰亞胺纖維表面上的鉑納米鉑膜。

圖2 放置在真空室中的3ω方法測量裝置示意圖。

圖3 3ω法測量的復合纖維實驗數據，其中（a）-（c）證明了3ω法測量的準確性，（d）的數據給出了纖維的熱導率信息。

文獻鏈接：Lin Qiu, Yuxin Ouyang, Yanhui Feng, Xinxin Zhang. Note: Thermal conductivity measurement of individual porous polyimide fibers using a modified wire-shape 3ω method, Review of Scientific Instruments,2018,89,096112

DOI: 10.1063/1.5052692

[作者簡介]

邱琳，女，中國科學院工程熱物理所博士，美國弗吉尼亞大學博士后，北京科技大學副教授，先后于新加坡南洋理工大學、英國利茲大學開展學術訪問。主要研究領域為微納尺度熱物性測量及熱輸運機理，鋼鐵行業余熱回收及利用，授權國家專利16項，主持國家自然科學基金面上項目、國家自然科學基金青年項目、國家重點研發計劃子課題等，參與國家自然科學基金重點項目、國家973課題、科技部重大儀器項目等。在Carbon、Appl. Therm. Eng.、?Int.?J. Heat Mass Tran.、Sci.?Rep.等國際知名期刊發表學術論文40余篇，文章引用次數約200余次，兼任中國高等教育學會工程熱物理專業委員會理事、第7屆國際微納技術會議（ISMNT-7）學術委員會委員、Scientific Reports期刊編委。

[作者關于碳材料的相關研究工作]

1.Lin Qiu, Hanying Zou, Xiaotian Wang Yanhui Feng*, Xinxin Zhang, Jingna Zhao, Xiaohua Zhang*, Qingwen Li.Enhancing the interfacial interaction of carbon nanotubes fibers by Au nanoparticles with improved performance of the electrical and thermal conductivity. Carbon, 2019, 141, 497-505.

2.Lin Qiu, Kimberly Scheider, Suhaib Abu Radwan, LeighAnn Sarah Larkin, Christopher Blair Saltonstall, Yanhui Feng*, Xinxin Zhang, Pamela M. Norris*.Thermal transport barrier in carbon nanotube array nano-thermal interface materials. Carbon, 2017, 120, 128-136.

3.LinQiu, Xiaotian Wang, Dawei Tang*, Xinghua Zheng*, Pamela M. Norris, Dongsheng Wen, Jingna Zhao, Xiaohua Zhang, Qingwen Li. Functionalization and densification of inter-bundle interfaces for improvement in electrical and thermal transport of carbon nanotube fibers. Carbon, 2016, 105, 248-259

4.Lin Qiu, Xinghua Zheng*, Jie Zhu, Guoping Su, Dawei Tang. The effect of grain size on the lattice thermal conductivity of an individual polyacrylonitrile-based carbon fiber. Carbon, 2013, 51, 265-273.

[作者關于3ω測試的相關研究工作]

1.Lin Qiu, Hanying Zou, Dawei Tang, Dongsheng Wen, Yanhui Feng*, Xinxin Zhang. Inhomogeneity in pore size appreciably lowering thermal conductivity for porous thermal insulators. Therm. Eng., 2018, 130,1004-1011.

2.Lin Qiu,Ning Zhu,?Hanying Zou, Yanhui Feng*, Xinxin Zhang, Dawei Tang*. Advances in thermal transport properties at nanoscale in China.?Int. Heat Mass Tran., 2018, 125,?413-433.

3.Lin Qiu, Xinghua Zheng*, Jie Zhu, Dawei Tang*, Yajun Dong, Yuelian Peng. Adaptable thermal conductivity characterization of microporous membranes based on freestanding sensor-based 3ω Int.J.?Therm.?Sci., 2015, 89(3), 185-192.

4.Lin Qiu, Dawei Tang*, Xinghua Zheng, Guoping Su. The freestanding sensor-based 3ωtechnique for measuring thermal conductivity of solids: principle and examination. Rev.?Sci.?Instrum., 2011, 82(4), 045106.

5.Lin Qiu, Xinghua Zheng, Jie Zhu, Dawei Tang*. Note: Non-destructive measurement of thermal effusivity of a solid and liquid using a freestanding serpentine sensor-based 3ω Rev.Sci.?Instrum., 2011, 82(8), 086110.

本文由材料人北京科技大學馮妍卉教授課題組供稿，編輯部編輯。

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