北科冯妍卉&邱琳Review of Scientific Instruments ：使用改良的线型3ω方法测量单个多孔聚酰亚胺纤维热导率

[亮点]

1.揭示了在引入多孔结构后单个PPI纤维轴向导热率显著下降

2.为不导电绝热材料热导率的测量提供新思路

[介绍]

微尺度材料的热物性精确测量一直都是新型材料热物理特性研究的重点，目前大部分测量方法都是通过电信号对材料热物性信息进行提取，难以完成对不导电材料的精确测量。然而例如多孔聚酰亚胺、等不导电隔热材料在航空、航天及工业领域热防护中占据重要地位。因此，基于现有微尺度测量方法，针对不导电微结构材料进行设计开发，探索出一条测量不导电材料热导率的方法具有重大意义。

多孔聚酰亚胺（PPI）纤维在航空母舰、航天器及其他军用尖端产品中举足轻重，其应用对多个高新领域具有极好的应用前景。因此，了解其导热性对于应用中的优化设计和热管理十分关键，开发适用于单个PPI纤维的热物理测量方法具有重要意义。

[成果简介]

近日，北京科技大学冯妍卉教授课题组的邱琳副教授在仪器领域TOP期刊Review of Scientific Instruments 上发表了题为“Note: Thermal conductivity measurement of individual porous polyimide fibers using a modified wire-shape 3ω method ”的文章。该工作提出了一种不导电纤维的测量方法并完成了对PPI纤维的热物性表征。作者制备了内部具有多尺寸孔径且孔道随机/均匀分布的PPI纤维，并通过在纤维表面沉积一层均匀铂纳米薄膜使其具有导电性。通过3ω法测量得到复合纤维的热导率，其中包含了铂纳米薄膜热导率的影响。为了排除该影响，引入横截面比模型，通过导入纤维、铂膜的尺寸和热导率数据进行分析计算，得到了PPI纤维本征热导率，同时发现纤维孔隙率越大（孔径越大，分布越不均匀），热导率越低的规律。该工作为PPI纤维热物性提供了参考，同时也为不导电材料的微尺度测量方法提供了重要的参考。

 [图文解析]

图1 三种具有不同孔隙率的多孔聚酰亚胺纤维的SEM图

（a）-（b）为三种多孔聚酰亚胺纤维截面图（孔隙率依次增大），（d）-（f）为三种多孔聚酰亚胺纤维表面上的铂纳米铂膜。

图2 放置在真空室中的3ω方法测量装置示意图。

图3 3ω法测量的复合纤维实验数据，其中（a）-（c）证明了3ω法测量的准确性，（d）的数据给出了纤维的热导率信息。

文献链接：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

[作者简介]

邱琳，女，中国科学院工程热物理所博士，美国弗吉尼亚大学博士后，北京科技大学副教授，先后于新加坡南洋理工大学、英国利兹大学开展学术访问。主要研究领域为微纳尺度热物性测量及热输运机理，钢铁行业余热回收及利用，授权国家专利16项，主持国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目、国家重点研发计划子课题等，参与国家自然科学基金重点项目、国家973课题、科技部重大仪器项目等。在Carbon、Appl. Therm. Eng.、 Int. J. Heat Mass Tran.、Sci. Rep.等国际知名期刊发表学术论文40余篇，文章引用次数约200余次，兼任中国高等教育学会工程热物理专业委员会理事、第7届国际微纳技术会议（ISMNT-7）学术委员会委员、Scientific Reports期刊编委。

[作者关于碳材料的相关研究工作]

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.

[作者关于3ω测试的相关研究工作]

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学冯妍卉教授课题组供稿，编辑部编辑。

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