基于碳纳米管宏观体的热线式流速探针

　　引　　言

　　1991年日本电镜学家饭岛(Iijima)发现了一种针状的管形碳单质——碳纳米管(CNTs)[1],从而在世界范围内引起了研究碳纳米管 的热潮。碳纳米管是理想的一维材料,具有高电阻温度系数、比表面积大、力学性能强、随直径和手性不同呈现金属或半导体的导电性等显著的性能[2]。用作热 线的材料应当具有高的电阻温度系数(TCR)、足够的强度和一定的抗腐蚀性能,可以拉制成尽可能细的丝,保证热线探针有高的灵敏度、信噪比、分辨率和频率 响应特性[3]。最常用的是直径为5μm的镀铂钨丝和Pt100,虽然有相对高的电阻温度系数,又具有易于制作、高强度和抗腐蚀的性能,但是灵敏度较低。

　　碳纳米管具有比钨丝和铂丝还要高的TCR,美国东北大学理论测得多壁碳纳米管的TCR为-0.66%/°C,而铂丝的TCR为0.392 7%/°C[4]。纳米纤维表面积比连续膜的表面积大1至2个数量级,与周围的介质间有很强的相互作用,具有更高的灵敏度。

　　1　理论研究

　　热线式流速测量是利用热平衡原理,通过测量热量的传递,来求得流体流动速度[5]。由于电阻温度系数较大,碳纳米管对于流速的变化比较明显,流 速与碳纳米管之间的相互作用,改变了它的费米能级,从而引起碳纳米管宏观电阻发生较大改变,通过测定电阻的变化即可测得流速的大小[6]。

　　根据热平衡原理,当热线置于流场中并通以电流时,热线电阻温度升高所产生的热量应该等于热线中由流速上升所耗散掉的热量。换言之,在热线没有其 它形式的热交换条件下,加热电流在热线中产生的热量应等于热线与周围介质的热交换[7]。在热平衡状态下,流速计探针的输出特性曲线应遵循King′s公 式[8-11]

　　I和V是热线材料的加热电流和两端电压,T是热线材料的平均温度,Ta是周围流场温度,U是流体流过热线的速度,K0和K1是由热线的尺寸、流 体物性和流动条件决定的系数,对给定的热线流速传感元件和给定的被测流体,可以认定为常数;n取决于热线的几何尺寸,传统的热线探针约是0.5.

　　其中,A和B是独立于流速的常量可以通过拟合实验数据得到。热平衡状态下、热线的加热电流,热线的电阻和流体的平均速度存在确定的关系。加热电 流恒定时,热线电阻和流速之间有确定的关系,形成恒流热线探针;热线温度(电阻)恒定时,热线电流和流速之间有确定的关系,形成恒温式热线探针。文中稳态 下热线探针的各种特性是在恒流模式下测量的。

　　2　实　　验

　　2.1　温度电阻系数的测定

　　实验中所用的均为双臂碳纳米管(DWCNTs)宏观体。以石英为衬底,溅射金电极,同时在衬底一端涂上含铁的催化剂,放入炉中使碳纳米管生长。 碳纳米管沿着电极方向,由催化剂所在的一端生长到衬底的另一端,这样就得到了双臂碳纳米管宏观体,从碳纳米管宏观体中抽出细丝。这些细丝的直径在25μm 左右,长度为25～100μm,即为所选用的热线材料。