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铠装热电阻的电和热传导性的可逆温度调节

来源:www.chems4you.com作者:发表时间:2016-11-04

        铠装热电阻的电和热传导性的可逆温度调节对于许多应用是感兴趣的,包括建筑物温度,热存储和传感器的季节调节。在这里,我们介绍一个一般的策略,以实现使用一级相变在电气和热导电性大的对比度在渗透复合铠装热电阻。在相变期间产生的内部应力调制电接触和热接触电阻,导致在相变温度下的电和热导率中的大的对比度。对于石墨/十六烷悬浮液,电导率变化2个数量级,并且在18℃附近热导率变化高达3.2倍。该方法的一般性也在其他铠装热电阻例如石墨/水和碳纳米管/十六烷悬浮液中得到证实。

        铠装热电阻的电和热导电性的可逆温度调谐对于许多应用是令人感兴趣的,诸如建筑物温度的季节性调节,热存储,感测等。虽然电导率可以通过使用金属 - 绝缘体转变1-4的温度来调节,但是热性质的温度调节要困难得多,因为热性质通过固态相变几乎不变。特别地,能够接近室温调节电导率和热导率的铠装热电阻可证明对于新应用是有用的。

        液 - 固相转变可以是用于电和/或热性质的温度调节的有吸引力的路线,因为具有宽范围的相转变温度的铠装热电阻的可用性。由于液 - 固相转变通常不引起金属 - 绝缘体转变,可以将纳米颗粒加入到液体中以控制液态和固态之间的性质对比。特别地,在装载有纳米颗粒的晶体形成液体中,在冷冻时颗粒被挤向晶界。冷冻期间产生的内应力调节颗粒之间的接触,增加复合铠装热电阻的电和/或热导电性。相变温度下的电和/或热导电性的变化可以通过调节颗粒的浓度进一步优化。通过组合这些效果,可以实现在窄的室温范围内表现出电导率和热导率的大变化的新型复合铠装热电阻。

        在本文中,我们演示此一阶相变策略来调节电气和热性能。使用石墨/十六烷悬浮液作为实例,我们实现电导率的2阶量值变化和在18℃附近的热导率的三倍变化。该方法的一般性也在其他铠装热电阻例如石墨/水和碳纳米管/十六烷悬浮液中得到证实。通过选择具有正确的相变温度的主体流体,可以容易地调节这种温度响应性复合铠装热电阻的临界温度以用于特定应用。

结果
        样品制备。我们使用十六烷/石墨悬浮液作为例子。十六烷的相转变温度为18℃左右,便于实验。薄片化石墨薄片由于其高的面内强度和高的导电性和导热性而广泛应用于复合铠装热电阻。我们采用硫酸插层,微波膨胀和超声波分散的工艺制备石墨悬浮液9-11。在这些过程之后,天然石墨被剥落成石墨薄片,然后将其与十六烷混合以形成稳定的悬浮液。

        悬挂特性。图1a显示了0.2%(体积分数)石墨/十六烷悬浮液的光学显微镜图像,以及在搁架上3个月后显示50ml这种悬浮液的照片的插图。石墨悬浮液是稳定的,没有发现沉积物。石墨薄片的平均直径为几微米,厚度为几纳米至几十纳米(图1b)。由于制备过程中产生的固有应力,大多数石墨薄片是弯曲的,其中一些甚至卷起(图1c)。所选薄片的高分辨率透射电子显微镜图像(图1c中的插图)显示,薄片具有30个原子层,晶面距离为0.335nm,与石墨7一致。我们测量十六烷中石墨薄片的迁移率为0.03cm 2 V -1 s -1,这意味着石墨薄片以十六烷充电。

        X射线光子光谱(XPS)分析表明,石墨薄片的表面含有约8%的氧原子(图1d),其由石墨表面上的羟基,环氧化物和羧基贡献。这些官能团可能在石墨悬浮液的稳定性中具有重要作用12,13。

        使用光学显微镜对相转变期间稀释的石墨/十六烷悬浮液(0.05%石墨/十六烷)的微观结构进行成像。在液相中,石墨薄片彼此吸引形成石墨簇(图1e)。在冷冻期间,石墨薄片通过针状十六烷晶体的各向异性生长被推向晶界,产生三维渗滤网络(图1f)。在冷冻的十六烷重熔后,石墨渗透网络保持,而仅观察到少量分离的悬浮石墨片(图1g)。因此,冻结导致石墨浓度的局部增强,这将进一步影响石墨悬浮液的输送性质。

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