聚噻吩单链量子热输运的第一性原理研究

聚噻吩块体通常被视为绝热材料,其热导率小于1W·m~(-1)·K~(-1).但近年发现对于室温下沿聚噻吩分子链方向排列的无定形聚噻吩纳米纤维,其热导率高于聚噻吩块体,可达4.4W·m~(-1)·K~(-1).为了相对准确地揭示纳米尺度聚噻吩单链热输运的微观特征,从量子力学出发,在密度泛函理论计算的基础上,应用中间插入延展方法结合非平衡格林函数方法,对长度为25.107nm、包含448个原子的聚噻吩单链的量子热输运及其同位素效应进行了研究,并与分子动力学方法模拟的结果进行了详细比较.结果表明:室温下32 nm长的纯聚噻吩单链热导率上限高达30.2 W·m~(-1)·K~(-1),与铅的热导率35 W·m~(-1).K~(-1)相近;相同掺杂比例(原子百分数)下C元素热导的同位素效应比S元素显著;室温下聚噻吩单链中~(12)C,~(13)C等比例随机掺杂时的同位素效应最为显著,此时聚噻吩单链的平均热导至少降低了30%;室温下纯聚噻吩单链的热导随C的相对原子质量增加近似呈反比例减小,随S的相对原子质量增加呈非线性单调增加.该研究对认识和调控聚噻吩这种新型功能材料的热输运特性具有积极的价值.     

铝纳米薄膜热导率的实验研究

金属纳米薄膜作为一种典型的纳米材料,已广泛应用于信息技术领域。研究表明,随着金属薄膜特征尺寸的减小,金属薄膜体现出与常规不同的热输运特性。本文采用飞秒激光泵浦-探测实验方法,结合抛物两步模型和修正的抛物两步模型,对铝纳米薄膜热导率进行研究。结果表明,考虑了声子热导率修正的抛物两步模型比抛物两步模型更能准确描述热反射信号。拟合得到铝膜热导率分别为98 W·m~(-1)·K~(-1)和94 W.m~(-1)·K~(-1),小于铝的体材料热导率,铝纳米薄膜热导率具有尺度效应,同时拟合得到声子热导率为2.8 W·m~(-1)·K~(-1),提出一种利用飞秒激光泵浦-探测测量声子热导率的方法。     

拉曼热扫描技术同步测量一维导热和对流换热

对于在空气中的低维微纳尺度材料传热过程,热传导和对流换热同时存在且相互影响,而实现对二者的同步测量和研究较为困难。针对该热测量难点,本文提出一种新颖的拉曼热扫描技术,该方法结合稳态电加热和拉曼扫描技术可以实现一维材料热导率和对流换热系数的同步测量.为验证该方法,选用碳纳米管纤维材料进行热物性测量实验。发现温度从335 K上升到468 K时,碳纳米管纤维的热导率从26 W·m~(-1)K~(-1)提高到34 W·m~(-1)K~(-1),对流换热系数从1143W·m~(-2)K~(-1)降低至1039 W·m~(-2)K~(-1)。其中,被测样品的对流换热量占了总散热量的60%以上.该测量方法方便快捷,对于研究低维微纳尺度材料在不同环境下的传热行为具有重要意义。     

石蜡-碳纳米管复合材料的热物性研究

为提高石蜡作为相变蓄冷材料的导热性能,制备了碳纳米管添加量分别为0%、1%、2%、3%、4%、5%的石蜡-碳纳米管复合材料,并对其热物性及稳定性进行实验研究。结果表明,随着碳纳米管添加量的增加,复合材料的相变温度基本不变,相变潜热逐渐减小,导热系数逐渐增大。在添加量为5%时,复合材料的融化和凝固相变潜热分别为128.2 J/g和134.4 J/g,比纯石蜡相对减小了15.5%和13.8%;固态和液态导热系数分别为0.487 W/(m·K)和0.516 W/(m·K),比纯石蜡相对提高了39.5%和40.3%,同时具有较好的循环稳定性。     

金刚石衬底原位生长石墨烯的复合结构热输运

石墨烯作为一种具有超高导热性能的二维纳米材料,不断引起人们的关注。实际应用中,石墨烯需附着在一定的衬底材料上,从而导致界面处强烈的声子散射和热导率的显著降低。为解决此类问题,本文采用一种原位催化生长技术制备出了金刚石/石墨烯复合材料。与转移到SiO_2/Si衬底的结构相比,在金刚石上生长得到的复合结构热导率被明显提高(约793 W·m~(-1)·K~(-1)),且石墨烯与金刚石衬底的界面热阻小于4.85×10~(-5)m~2·K·W~(-1)。这源于金刚石衬底为石墨烯提供了可观的热学贡献,而原位键合的生长让界面中产生有别于非键相互作用的杂化结构,使得界面热阻被降低。该结构优异的传热性能为石墨烯复合材料提供了一种新的方案。     

石墨烯制备方法及粒径对复合材料热导率的影响

石墨烯是由碳原子构成的单原子厚度的二维层状材料,具有许多优异的性能,是当前国内外研究热点之一,受到物理、化学、材料、电子、能源、生物和信息技术等领域的广泛关注。石墨烯是目前所测得导热系数最高的材料,在强化传热领域具有潜在的应用价值。较为系统地研究了石墨烯的制备方法及石墨的粒径对环氧树脂复合材料热导率的影响。实验发现,所采用的三种插层剂(硫酸、十四烷基胺及FeCl3)中,添加量较少时(如体积分数为1%),十四烷基胺插层法最为有效。而添加量较高时,硫酸插层制备的石墨烯纳米片效果最佳。制备石墨烯纳米片所采用的石墨粒径较大时,石墨烯/环氧树脂(Epoxy)复合材料的热导率越高。通过优化石墨烯的制备方法,石墨烯纳米片在体积分数为3.9%时,其热导率可达0.94 W·m~(-1)·K~(-1)),比基体材料提高了2.6倍。     

氧化石墨烯复合相变微胶囊制备及传热特性研究

本文采用原位聚合法以氧化石墨烯物理改性密胺树脂为壳材,包覆石蜡制备石蜡@密胺树脂/氧化石墨烯相变微胶囊。石蜡@密胺树脂/氧化石墨烯复合相变微胶囊在保存了石蜡高储能密度的同时有效防止了石蜡泄漏,并且提高了其导热性。当质量分数ω为6%时,导热系数为1.25 W·m^-1·K^-1,提高了7.8倍,潜热略有降低,潜热焓值为185.4 J·g^-1,包覆率为70.4%。将制备的改性微胶囊进行防泄漏测试研究,展现出优异的热稳定性能。     

木基生物质碳化骨架负载聚乙二醇相变材料及表面修饰对蓄传热性能的强化

以相变芯材为核心的复合相变材料的潜热储存技术,对解决可再生能源间歇性问题有着关键作用.本研究以天然竹木为原材料,使用高温碳化方法得到碳化竹木,并使其分别吸附氧化石墨烯和还原氧化石墨烯,最终与聚乙二醇(PEG2000)复合形成稳定的复合相变材料.实验结果表明,还原氧化石墨烯可以达到很好的包封率、热导率和光热转换效率提升效果.碳化竹木/还原氧化石墨烯/聚乙二醇三元复合相变材料包封率高达81.11%,熔化潜热为115.62 J/g,凝固潜热为104.39 J/g,热导率大幅提升至1.09 W/(m·K)(纯PEG2000的3.7倍),光热转换效率大幅提高至88.35%(纯PEG2000的3.1倍).     

石墨烯气凝胶复合相变材料的热物性研究

相变材料利用其相变潜热能力可吸收储存和释放利用热量,同时在相变过程中其温度浮动小,能够实现温度控制从而用于热管理.但是其低热导率和易泄露问题严重制约了其性能.石墨烯气凝胶因其丰富的多孔结构而具有较大的比表面积,可吸附相变材料解决其泄露问题,同时石墨烯的高导热系数可提高相变材料的热导率.这里选取正十八烷为相变材料,制备了不同质量分数的石墨烯气凝胶复合相变材料.测得石墨烯气凝胶含量为13.99 wt%的样品,其导热系数比纯正十八烷高出306.2%,熔化潜热和凝固潜热分别下降了13.8%和10.8%.分子动力学模拟结果表明,石墨烯气凝胶的引入会在一定程度上增强正十八烷分子的有序性和一致性,即在同一温度下复合相变材料中的正十八烷分子比纯正十八烷分子拥有更集中分布的末端距和扭转角,径向分布函数和自扩散系数都相对较低,说明石墨烯材料的引入可以提升正十八烷的导热系数.     

石墨烯片协同氧化铝导热硅脂的制备及其导热性能研究

以石墨烯片和氧化铝(Al_2O_3)粉为导热填料填充到甲基硅油中制备了三种导热硅脂,采用3-ω法测定了所有样品的热导率,结果表明Al_2O_3复合石墨烯片硅脂的热导率达到1.32 W·m~(-1)·K~(-1),明显高于单纯添加石墨烯片和Al_2O_3的导热硅脂的热导率。将这三种导热硅脂装配到电脑中央处理器(CPU)系统中,测试样品的散热性能,发现Al_2O_3复合石墨烯片的导热硅脂具有更好的散热性。实验中选用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)测试了材料的形貌。     

相变材料介质阻断电池热失控传播特性研究

针对锂离子电池热失控传播问题,以石蜡/膨胀石墨复合相变材料为电池模组热管理介质,建立电池热失控传播二维数值计算模型。通过改变膨胀石墨与石蜡的质量分数得到不同导热系数与相变焓的复合材料,探究关键设计参数对电池热失控传播的阻断特性。研究结果表明相变材料能够有效延缓甚至阻断热失控的传播,当导热系数较低或较高(如0.3和21.01 W·m^-1·K^-1)时皆能阻断热失控传播,对于中间导热系数材料的模组,首次热失控传播时间间隔随导热系数升高而增加,而后续传播间隔随着导热系数升高而减小。     

SA-AC/膨胀石墨的制备及性能研究

本文采用熔融混合-物理吸附法制备硬脂酸-乙酰胺共晶混合物/膨胀石墨(SA-AC/EG)复合相变材料,所得复合材料中SA-AC与EG的最佳质量比为9:1.采用SEM、FTIR、DSC、和TPS方法表征复合相变材料的微观形貌、化学兼容性、相变特性和热导率.实验结果表明,SA-AC与EG之间是通过毛细力和表面张力作用复合,复合相变材料的熔化温度和凝固温度分别为66.94℃和58.02℃,熔化焓和凝固培分别为186.8 J/g和187.8 J/g.实验所得复合相变材料的热导率高达5.909 W·m~(-1)·K~(-1),是原始相变材料(SA-AC)的17.58倍.经过500次加速加热冷却循环后,其热物性基本保持不变.因此,本实验所制备的SA-AC/EG复合相变材料具有较好的热稳定性和化学稳定性,是太阳能蓄热和工业余热回收利用的极具潜力的候选材料.     

纳米石墨烯片-正十八烷复合相变材料制备及热物性研究

本文分别制备了纳米石墨烯片质量分数为0%, 0.5%, 1%, 1.5%, 2%的纳米石墨烯片-正十八烷复合相变材料,并通过扫描电镜测试、红外光谱分析、差示扫描量热实验及导热分析等实验对其形貌结构及热物性进行表征和研究.实验表明本文制备的纳米石墨烯-正十八烷复合相变材料具有很好的相变稳定性;当纳米石墨烯片的质量分数达到2%时,复合相变材料的导热系数相对于纯十八烷高出了89.4%.     

石墨烯与纳米颗粒协同提高复合体系热导率

本文详细阐述了石墨烯和球形纳米颗粒间提高复合物热导率的协同效应。石墨烯和纳米颗粒在复合物中可形成紧密堆积结构,该结构阻止了石墨烯的团聚。二维的石墨烯能够在纳米颗粒之间架桥,为复合体系提供了更加有效的声子传输通道,降低了界面热阻。当石墨烯添加量为质量分数1.0%时,导热硅脂的热导率达到了3.45 W/(m·K),EVA复合材料的热导率达到了2.41 W/(m·K);在PC/ABS基体中,石墨烯添加质量分数0.5%时,热导率达到3.11 W/(m·K);在环氧树脂基体中,当负载银的石墨烯填充量为质量分数5.0%时,热导率到达了0.95 W/(m·K)。     

金属有机骨架复合体的相变热特性测试

本文对SA/Cr-MIL-101-NH_2复合相变材料进行了结构的表征及测试,采用Hotdisk法热常数分析仪测量热导率,通过比较法测量得到其比热容,并由差示扫描量热仪测量复合材料的相变特性,采用伪超临界路径方法模拟了SA在受限空间内的相变过程。研究结果表明:质量分数为70%的SA/Cr-MIL-101-NH_2复合材料热导率相比于纯SA提升了64.8%,增强了整个材料的传热性能,复合材料的比热容、熔点、潜热均随着负载量的增大逐渐增大,但均小于块材SA,质量分数为70%的复合材料潜热达到115.53 J/g,保证了材料的蓄热性能;模拟得到受限空间内SA的回转半径小于自由空间,链段柔韧性增强,导致其熔点降低。     

低浓度高热导率的石墨烯/树脂复合物及其应用

当多个LED密集排列组成大功率照明系统时,散热问题成为影响LED灯发光性能的主要技术瓶颈之一,因此解决散热问题已成为功率型LED应用的先决条件。本文将功能化石墨烯与硅树脂复合制备出了低填充量高导热性能的石墨烯/硅树脂复合材料。石墨烯(Graphene)填充质量分数为0.015时,复合材料的热导率高达2.758 W/(m·K),比纯硅脂基体提高了13倍;添加石墨烯后明显改善了硅树脂的热稳定性。将该复合材料作为热界面材料应用于大功率LED芯片模组基板与灯具冷却外壳之间的散热,能获得很好的增强效果,结果表明石墨烯填充质量分数仅为0.008时,基板与外壳之间的温度差究可达到小于5℃,满足大功率LED灯具的散热要求。     

聚乙烯单链量子热输运的同位素效应

高分子导热材料的有效调控受到了日益广泛的关注.应用密度泛函理论(DFT)、中央插入延展(central insertion scheme,CIS)方法及非平衡格林函数(NEGF)理论,对包含432个原子、长18.533 nm的聚乙烯单链量子热输运的同位素效应进行了研究.计算结果表明,室温下长100 nm的纯12C聚乙烯单链的热导率理论上限高达314.1 W·m~(-1)·K~(-1);对于~(12)C聚乙烯单链,其他条件一定时,~(14)C掺杂引起的热导同位素效应比~(13)C更为显著;室温下纯~(12)C聚乙烯单链中~(14)C掺杂原子百分数为50%时同位素效应最显著,此时平均热导比未掺杂时下降了51%.这对探索聚乙烯材料热输运的同位素影响机理具有十分积极的意义.     

Thermoelectric properties of two-dimensional hexagonal indium–VA

The electrical properties and thermoelectric(TE) properties of monolayer In–VA are investigated theoretically by combining first-principles method with Boltzmann transport theory. The ultralow intrinsic thermal conductivities of 2.64 W·m~(-1)·K~(-1)(InP), 1.31 W·m~(-1)·K~(-1)(InAs), 0.87 W·m~(-1)·K~(-1)(InSb), and 0.62 W·m~(-1) K~(-1)(InBi) evaluated at room temperature are close to typical thermal conductivity values of good TE materials(κ 2 W·m~(-1)·K~(-1)). The maximal ZT values of 0.779, 0.583, 0.696, 0.727, and 0.373 for InN, InP, InAs, InSb, and InBi at p-type level are calculated at 900 K,which makes In–VA potential TE material working at medium-high temperature.     

复合除湿剂导热系数及动态除湿性能研究

为提高硅胶除湿剂的传热性能,并且不影响其吸湿性能,本文选择高热导率的硫化石墨作为传热基质,制作不同密度的硅胶/硫化石墨固化复合除湿剂。通过激光闪光法和动态称重法对样品进行导热系数和动态除湿性能测试。结果表明复合除湿剂导热性能随着固化密度的增大先增加后减小,导热系数最高可达16.2 W·m~(-1)·K~(-1),约为纯硅胶除湿剂的230多倍。复合除湿剂的吸湿性能随着固化密度的升高而下降,密度为300 kg·m~(-3)。复合吸附剂的动态吸湿速率约为纯硅胶的2倍以上。     

低浓度高热导率的石墨烯/树脂复合物及其应用

当多个LED密集排列组成大功率照明系统时,散热问题成为影响LED灯发光性能的主要技术瓶颈之一,因此解决散热问题已成为功率型LED应用的先决条件。本文将功能化石墨烯与硅树脂复合制备出了低填充量高导热性能的石墨烯/硅树脂复合材料。石墨烯(Graphene)填充质量分数为0.015时,复合材料的热导率高达2.758 W/(m.K),比纯硅脂基体提高了13倍;添加石墨烯后明显改善了硅树脂的热稳定性。将该复合材料作为热界面材料应用于大功率LED芯片模组基板与灯具冷却外壳之间的散热,能获得很好的增强效果,结果表明石墨烯填充质量分数仅为0.008时,基板与外壳之间的温度差可达到小于5℃,满足大功率LED灯具的散热要求。