【摘 要】
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热开关通过动态调制热阻的大小,实现对热流的主动调控。高性能的热开关在降低建筑物能源消耗、实现热逻辑线路等方面有着极大应用前景。本文分别对基于电场、磁场调制以及加热频率调制的固态热开关进行了探究。选择具有铁电性和反铁磁性的多铁性材料铁酸铋作为研究对象,设计并搭建了相应测试系统对基于电场、磁场调制的热开关进行实验探究。通过传统3ω方法测试,发现在0～4 k V/cm外电场环境和0～9 T外磁场环境下体
【基金项目】
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国家自然基金面上项目（51776038）
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热开关通过动态调制热阻的大小,实现对热流的主动调控。高性能的热开关在降低建筑物能源消耗、实现热逻辑线路等方面有着极大应用前景。本文分别对基于电场、磁场调制以及加热频率调制的固态热开关进行了探究。选择具有铁电性和反铁磁性的多铁性材料铁酸铋作为研究对象,设计并搭建了相应测试系统对基于电场、磁场调制的热开关进行实验探究。通过传统3ω方法测试,发现在0～4 k V/cm外电场环境和0～9 T外磁场环境下体态铁酸铋的等效导热系数分别产生了-2.4%和2.5%的最大相对变化,且变化比例与场强呈现明显的线性关系。分析指出,施加外电场后,拥有铁电性的铁酸铋的晶格结构发生改变,从而引起格波（声子）热输运能力的变化;施加外磁场后,反铁磁性使得铁酸铋的有序的自旋排列发生改变,从而引起自旋波（磁振子）热输运能力的变化。提出了基于加热频率调制热开关的概念,即材料的导热系数会随加热频率发生变化。以室温下的硅作为研究对象,通过求解双热流模型框架下一维玻尔兹曼传输方程计算得出此热开关的开关比理论极限超过100。此热开关最突出的优点是切换热开关通断状态时无需额外的能量输入,仅根据输入热流的不同频率即可自动控制通过的热流大小。为了对基于加热频率调制的热开关进行实验探究,根据传统3ω分析原理,设计了可以测试热物理性能随加热频率变化的实验方法—“扫描电流式”斜率法。在73 K至300 K的环境温度下,以无定形态二氧化硅作为样品对该方法进行有效性测试,测试发现室温下通过该方法得到的二氧化硅导热系数相对误差不超过0.3%,热容相对误差不超过4.8%。
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