颗粒聚集对纳米流体强化换热影响浅析

本文采用数值模拟的方法初步研究了颗粒聚集对纳米流体强化换热性能的影响。在流体中随机生成纳米颗粒团聚状态,并对其热性能进行数值模拟,结果表明,纳米颗粒的聚集将会导致流体换热性能的下降,降低程度与纳米颗粒体积分数以及聚集程度有关。     

铝纳米颗粒的热物性及相变行为的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟了纳米金属铝在粒径为0.8-3.2 nm 时的熔点、密度和声子热导率的变化, 研究了粒径为1.6 nm的铝纳米颗粒的密度、比热和声子热导率随温度的变化. 采用原子嵌入势较好地模拟了纳米金属铝的热物性及相变行为, 根据能量-温度曲线和比热容-温度曲线对铝纳米颗粒的相变温度进行了研究, 并利用表面能理论、尺寸效应理论对铝纳米颗粒熔点的变化进行了分析. 随着纳米粒径的不断增大, 铝纳米颗粒的熔点呈递增状态, 当粒径在2.2-3.2 nm时, 熔点的增幅减缓, 但仍处于递增趋势. 随着纳米粒径的增大, 铝纳米颗粒的密度呈单调递减, 热导率则呈线性单调递增, 且热导率的变化情况符合声子理论. 随着温度的升高, 粒径为1.6 nm的铝纳米颗粒的密度、热导率均减小. 该模拟从微观原子角度对纳米材料的热物性进行了研究, 对设计基于铝纳米颗粒的相变材料具有指导意义.     

纳米颗粒悬浮在加热铂丝上的过冷沸腾

本文对加热铂丝上25 nm SiO2颗粒与水悬浮液的过冷沸腾进行实验观察,纯水和纳米颗粒悬浮液的沸腾过程基本相同,但低热流密度下纳米颗粒悬浮液中的气泡重叠(或气泡团聚体)现象非常普遍。在实验观察基础上分析了气泡重叠(或气泡团聚体)成因,纳米颗粒在气泡表面的吸附和浓聚增大了气泡间吸引力和气泡质量,最终导致气泡重叠(或气泡团聚体)的形成。     

基于热泳的气相合成纳米颗粒多场联合测量

在气相燃烧合成纳米颗粒过程中,温度分布对化学反应、颗粒的团聚和烧结有重要作用;速度分布对前驱体和颗粒的输运、颗粒的温度经历效应和停留时间有不可忽视的影响。为了研究纳米颗粒在火焰中形成和演变的过程以及化学反应和颗粒运动所依赖的温度分布、速度分布,本文在传统热泳取样的基础上提出了一种新的热泳取样-电镜分析方法。该方法在火焰内部同一测点采用热电偶测温和两次时间间隔不同的热泳取样,通过电子显微镜对样品的颗粒沉积状态进行统计和分析,能够得到火焰的温度分布、流动速度分布、颗粒体积分数和颗粒尺度分布。     

纳米颗粒团聚物流化特性的数值研究

基于气固两相流体动力学理论,建立气体纳米颗粒团聚物两相流动双流体模型.模型中采用了Jung ＆ Gidaspow (2002)测量的固相应力模量和王垚等(2001)提出的聚团曳力系数计算模型.对纳米颗粒团聚物的流化过程进行了数值模拟,得到纳米颗粒团聚物的流化特性.模拟得出的床层膨胀比与文献中实验的结果较为接近.     

聚乙烯/银纳米颗粒复合物的分子动力学模拟研究

通过分子动力学模拟对聚乙烯/银纳米颗粒复合物的结构、极化率和红外光谱、热力学性质、力学特性进行计算, 分析其随模拟温度和银颗粒尺寸的变化规律. 模拟结果表明: 聚乙烯/银纳米颗粒复合物为各向同性的无定形结构, 温度升高可提高银纳米颗粒的分散均匀性; 银纳米颗粒表面多个原子层呈现无定形状态, 并在银颗粒和聚乙烯基体的界面形成电极化层, 界面区域随颗粒尺寸和温度的增加分别减小和增加; 与聚乙烯体系相比, 聚乙烯/银纳米颗粒复合物的极化率高很多, 且随温度的升高和银颗粒尺寸的减小而增大; 银颗粒尺寸直接影响界面电偶极矩的强度和振动频率, 红外光谱峰强度和峰位随颗粒尺寸发生变化; 聚乙烯/银纳米颗粒复合物具有比聚乙烯体系更高的等容热容和与聚乙烯体系相反的负值热压力系数, 热容随颗粒尺寸的变化较小, 但随温度的升高而明显减小, 具有显著的温度效应; 热压力系数随温度的变化较小, 但随颗粒尺寸的增加而减小, 具有明显的尺度效应, 温度稳定性更好; 聚乙烯/银纳米颗粒复合物的力学特性表现出各向同性材料的弹性常数张量, 具有比聚乙烯体系更高的杨氏模量和泊松比, 并且都随温度的升高和银颗粒尺寸的增大而减小, 加入银纳米颗粒可有效改善聚乙烯的力学性质. 关键词： 分子动力学模拟 聚合物纳米复合物 纳米颗粒     

纳米氧化钛团聚结构的研究

爆轰形成的高温、高压持续时间短,使得新生的氧化钛来不及长成较大的晶粒,只能形成大量的类球形纳米微粒。在潮湿的爆生气体环境中,这些纳米氧化钛颗粒间的相互作用(如碰撞、摩擦、挤压、渗透和粘附等)比较剧烈,极易聚集成团聚体。初步分析了以硫酸氧钛为钛源、采用爆轰法合成的纳米氧化钛的团聚结构和分散形态,对经过加热至500℃、保温1 h热处理后的纳米氧化钛的团聚结构也进行了分析。研究结果表明:用爆轰法合成的纳米氧化钛存在软团聚和硬团聚两种形式,而经过热处理(500℃、1 h)的纳米氧化钛的团聚程度得到了一定的改善。此外,还分析了纳米粉体的特性、爆轰特点和爆生气体环境等因素对产生纳米氧化钛团聚结构的影响。     

喷动床内纳米颗粒气固两相流动的数值模拟

采用欧拉-欧拉双流体模型,颗粒动理学理论模拟颗粒相流动,采用周涛和李洪钟(1999)的力平衡模型预测纳米颗粒聚团尺寸,对喷动床内纳米颗粒聚团流化过程进行了数值模拟,得到了喷动床内纳米颗粒聚团的流化过程,获得喷射区和环隙区内颗粒相速度和浓度分布。分析了喷动床结构和进口气体速度等对纳米颗粒聚团流化特性的影响。由于纳米颗粒的特殊性质,不易形成喷泉区。适当的喷动床结构和进口气体速度有助于形成稳定喷动。     

基于团聚理论的纳米制冷剂导热系数预测方法

纳米流体中纳米颗粒以团聚体的形式存在.为预测纳米流体的导热系数,模拟了流体中纳米颗粒团聚体的三维空间结构并用热阻网络法计算了团聚体的导热系数.在得到团聚体的导热系数与考虑液体分子吸附层后团聚体的体积分数后,预测纳米流体的导热系数.用实验数据验证了该预测方法并运用该方法预测了铜-R22纳米制冷剂的导热系数.     

纳米银胶中PVP和Alq3的荧光猝灭研究

本文通过湿法化学还原法合成了平均粒径为4.42nm、标准差为0.98nm的球形银纳米颗粒,并研究了在不同反应时间后获得的银纳米颗粒对PVP和Alq3的荧光猝灭效应。通过深入研究发现,PVP的荧光猝灭效应主要由于其分子链上的酮基与Ag颗粒之间发生了静电吸附,进而导致处在激发态的PVP分子与银颗粒之间产生电子或者能量转移(即非辐射弛豫),猝灭了PVP的荧光发光;而Alq3的荧光猝灭效应则主要归因于银纳米颗粒的欧姆损耗。通过采用时域有限差分法进行模拟发现,溶液中随机分布的银纳米颗粒,不仅能够吸收激发电磁波,削弱激发场强度,而且能够吸收荧光分子辐射的电磁波,进而猝灭了Alq3分子的荧光效应。这些研究成果将有利于了解金属纳米颗粒与PVP及Alq3分子荧光发光之间的关系,为调控荧光发光提供指导。     

[111]晶向银纳米杆结构稳定性的分子动力学研究

采用三维分子动力学模拟方法和Finnis-Sinclair型多体势,以[111]晶向银纳米杆为研究对象,模拟研究不同尺寸纳米杆在不同温度弛豫过程中的动态平衡变化过程,分析研究弛豫后银纳米杆的稳态结构变化、平均势能的变化及其在不同时刻结构的演变过程.结果表明,温度对银纳米杆结构稳定性将产生重大影响,银纳米杆存在一临界失稳温度,当温度小于临界失稳温度时,体系保持完好线状晶态,当温度大于临界失稳温度小于熔点时,体系坍塌熔化后发生重结晶,体系形成由(111)和(100)面围成的多面体;随银纳米杆截面尺寸增大,其临界失稳温度、熔点均增大,当截面尺寸大于2 nm时,临界失稳温度趋近于熔点,失稳现象只在一很窄温度区域内存在.     

涡场中黏附性颗粒团聚体粒径分布的预测

黏附性颗粒团聚现象在自然界和工业界普遍存在,扰动流场中黏附性颗粒间的碰撞、摩擦和吸附等动力学行为,导致团聚体形态不断演化,准确预测黏附性颗粒团聚体的粒径分布是调控颗粒团聚过程的重要前提。本文通过二维泰勒格林涡场中黏附性颗粒团聚的数值模拟研究,明确了利用Monte Carlo模型预测团聚体粒径分布的可行性及其适用范围,发现当黏附性颗粒间内聚数小于3.5×10^?4时,Monte Carlo模型可较好的预测团聚体粒径分布,且相对误差小于±30%;而当内聚数大于3.5×10^?4后,Monte Carlo模型不再适用。     

光纤聚合物探针在非均匀电磁场下的银纳米颗粒极化效应

介绍了光纤探针的制作流程及纳米颗粒的吸附方法,利用时域有限差分法对光纤探针的局域非均匀场下银纳米颗粒增强效应进行了数值模拟。首先,分析了不同形状的光纤聚合物探针尖端电场分布情况,为纳米颗粒的极化效应研究提供了参考;其次,模拟与仿真了纳米颗粒的半径、与探针间的距离对单个银纳米颗粒极化效应的影响;最后,以两个银纳米颗粒为例讨论了颗粒相对位置对极化效果的影响,并证明了光纤探针顶端以外的银纳米颗粒对电场的极化效应没有贡献。本文的仿真结果为光纤探针的制备以及其表面银纳米颗粒的吸附提供了理论支持。     

三角形银纳米颗粒淬灭八羟基喹啉铝发光研究

基于光学天线原理,通过实验和数值计算研究了三角形银纳米颗粒膜对八羟基喹啉铝(Alq3)发光的猝灭。Alq3发光猝灭是由于光子能量与三角形银纳米颗粒的面内电四极子发生能量共振耦合。实验中,猝灭因子为0.25~0.5。三角形银纳米颗粒密度增加形成较多二聚体和三聚体等,使近场电场场强增加,激发效率增加,导致猝灭因子减小。数值模拟得到三角形银纳米颗粒对Alq3的平均猝灭因子为0.44,与实验结果基本一致。研究结果为基于三角形银纳米颗粒的分子传感、表面等离子体光学成像等应用提供了有价值的参考。     

浓悬浮液中纳米SiO_2团聚体的渗透率

本文基于悬浮液中渗透性颗粒的短时扩散动力学理论,采用低相干光纤动态光散射方法,测量了相同粒径的纳米SiO_2团聚体在不同体积分数时的扩散系数,利用扩散系数随渗透率的变化关系得到纳米SiO_2团聚体的渗透率.结果表明:恒温条件下,具有一定渗透率的团聚体颗粒扩散得比硬球颗粒快.实验测量得到的团聚体渗透率与采用photoshop CS6对团聚体SEM图像进行处理计算得到的渗透率符合较好.     

银纳米团簇负热容现象的分子动力学模拟

采用分子动力学方法和嵌入原子法(EAM)多体势函数,模拟研究了银纳米团簇在不同温度直到熔化过程中的结构变化,得到了体系能量和热容量随温度的变化关系.结果显示:银纳米团簇在临近熔点附近出现了负热容现象.研究了弛豫后银纳米团簇的稳态结构变化及其在不同时刻结构的演变过程.结果表明:产生负热容现象的主要原因是纳米团簇在熔点附近,结构发生了巨大的变化,形成由{111}和{100}面围成的结构十分稳定和能量更低的多面体.     

银纳米颗粒复合超材料的数值和模拟研究

理论分析了单层银纳米颗粒及其复合超材料的电磁特性,并采用MATLAB数值计算和CST模拟对理论进行了验证.结果显示:4.75 nm银颗粒所形成的单层阵列的数值和模拟结果都有Lorentz共振效应出现,模拟结果相对于数值计算有红移现象,且有微弱的磁共振效应,进一步对采用4.75 nm颗粒复合而成的100 nm大颗粒模拟,...     

分子动力学模拟纳米晶体银的结构和性能

通过分子动力学方法,采用以局域密度（ＬＤＡ）氨似和二阶动量矩（ＳＭＡ）近似为基础的多体热函数,模拟了纳米面心立方晶体银的结构,对模拟的结果进了不同尺寸的纳米晶体的能量分布,弹性表面能及熔点等计算,并与相应的实验结果进行了比较,结果表明采用此多体势函数模拟纳米晶体的结构和性能,比用其它势函数更精确,与实验结果更吻合。     

银纳米颗粒复合超材料的数值和模拟研究

理论分析了单层银纳米颗粒及其复合超材料的电磁特性,并采用MATLAB数值计算和CST模拟对理论进行了验证.结果显示:4.75 nm银颗粒所形成的单层阵列的数值和模拟结果都有Lorentz共振效应出现,模拟结果相对于数值计算有红移现象,且有微弱的磁共振效应.进一步对采用4.75 nm颗粒复合而成的100 nm大颗粒模拟,结果表明:在800~1 000 nm区间共振得到负的实有效介电常量、负的实有效磁导率和负的折射率,说明100 nm复合球形颗粒具有很强的磁共振效应,与理论分析相符.     

退火法制备石墨烯-银纳米粒子及其增强拉曼实验

针对目前SERS基底上金属颗粒制备过程中存在的分布不均匀、易氧化和稳定性差等缺点,通过热蒸镀和高温退火获得分布均匀的SERS基底;同时结合石墨烯优良的光学性能、化学惰性、荧光猝灭以及本身的SERS增强等优点,制备了稳定的石墨烯-银纳米颗粒（GE/AgNPs）复合结构SERS基底。通过GE/AgNPs复合结构的拉曼光谱稳定性试验证明了石墨烯在GE/AgNPs结构中起到隔绝银纳米颗粒与空气直接接触及催化氧化银脱氧的作用,有利于SERS基底的时间稳定性。(1) 石墨烯、Ag纳米颗粒及其复合结构的制备。首先采用热蒸镀和高温退火的方法使Ag纳米颗粒均匀地沉积在SiO₂/Si基底上,再采用化学气相沉积法在Cu箔上制备少层石墨烯,并用湿法转移法将石墨烯转移到目标基底上,并实验研究了以不同的退火顺序对GE/AgNPs基底造成的影响。(2) 石墨烯、Ag纳米颗粒及其复合基底的表征。分别采用光学显微镜、扫描电子显微镜和拉曼光谱进行表征,得到转移后的纯石墨烯较完整地覆盖在SiO₂/Si基底上面,表面比较平整,但在少数地方仍然存在褶皱和杂质;SEM表征结果表明对于不同制备流程的GE/AgNPs复合结构上的Ag纳米颗粒基本呈球形。基本符合Ostwald熟化理论,通过对退火温度和时间的控制能获得平均粒径在40~60 nm的银颗粒,且分布较均匀。此外,在不同退火顺序中,石墨烯的加入对银纳米颗粒的扩散形成扩散势垒,从而出现较大的不规则的颗粒。(3) 基底稳定性试验和仿真分析。通过基底本身的Raman mapping测试,分析了石墨烯拉曼特征峰峰值和半高宽的变化,得知基底对石墨烯本身的拉曼增强效果主要来源于银纳米颗粒间的电磁场增强。同时采用浓度为10-6 mol·L-1的罗丹明6G (R6G)水溶液作为探针分子,对转移了石墨烯的GE/AgNPs复合基底和未转移石墨烯的Ag纳米颗粒基底进行了SERS稳定性实验。结果表明GE/AgNPs复合基底在1~33 d内衰减较缓慢,30 d后仍能探测到拉曼信号约为原来信号的35.1%~40.6%;而纯Ag基底上随着Ag纳米颗粒在空气中迅速氧化,基底的SERS性能显著下降,在30 d后只有原来信号的5.9%~11.3%。此外,通过实验得到覆盖了石墨烯之后的增强因子约为6.05×105。最后采用时域有限差分算法（FDTD）计算了复合结构的电磁场分布和理论增强因子,其理论增强因子可以达到5.7×105。实验和仿真结果的差异,主要是源于石墨烯的化学增强作用。