【摘 要】
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我国航天航空事业的迅猛发展对高性能材料的需求及要求越来越高,碳化硅作为第三代半导体核心材料之一,具有宽带隙、化学稳定性好等优点,非常适用于制作高频、抗辐射、大功率和高密度集成的电子器件,在电子、信息、生物医学、绿色能源等许多领域得到认可。碳化硅纤维可以被编织到复杂结构中并增强其性能,作为增强材料,位于陶瓷基复合材料(CMC)的上游,是复合材料生产过程中的重要环节,而单根碳化硅纤维的导热性能在整个C
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我国航天航空事业的迅猛发展对高性能材料的需求及要求越来越高,碳化硅作为第三代半导体核心材料之一,具有宽带隙、化学稳定性好等优点,非常适用于制作高频、抗辐射、大功率和高密度集成的电子器件,在电子、信息、生物医学、绿色能源等许多领域得到认可。碳化硅纤维可以被编织到复杂结构中并增强其性能,作为增强材料,位于陶瓷基复合材料(CMC)的上游,是复合材料生产过程中的重要环节,而单根碳化硅纤维的导热性能在整个CMC组分中的散热起到了至关重要的作用。低温技术的发展也为实现碳化硅在生物医药等领域的应用提供了机遇,了解它们的物理及化学特性并不断对其各项潜在的性能进行优化,是目前对于碳化硅制品研究的重点。该研究通过搭建低温实验系统,运用瞬态电热技术(TET)分别测量了碳化硅纤维样品在10 K-290 K内18个不同温度下的导热性能,得到了碳化硅纤维的热扩散系数、导热系数与体积比热等实验数据。实验测得常温下碳化硅纤维样品的导热系数为4.97 W/(m·K),通过与单晶碳化硅对比发现两者导热性能存在巨大差异,证实了纳米晶材料会由于尺寸效应对其导热性能产生限制。随着温度降低,碳化硅纤维的热扩散系数单调升高,而导热系数随温度降低出现先下降后上升的趋势,环境温度到达10 K时,碳化硅纤维的导热系数已较常温时降低了60%。运用声子散射理论分析可知,由于随着温度降低,声子-声子散射减弱,而声子-缺陷散射成为主导,平均自由程随之减小,从而导致导热系数减小。类比金属材料的电阻率模型,运用阻温系数模型有效地评价了非金属材料的缺陷等级。通过将实验数据拟合得到0 K时的残余阻温系数及晶粒尺寸,根据定义可知残余阻温系数代表材料内部的缺陷程度,残余阻温系数占常温下的总阻温系数的11.88%,从而可以预测若材料内部无缺陷时的理想导热性能。
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