原子势能对纳米通道中二元流体形态和传热性能的影响

基于平衡分子动力学模拟方法,研究壁面原子与流体原子之间不同的作用势能对纳米通道中二元流体形态和传热特性的影响。对于Ar-Kr流体,Kr原子由于壁面和周围流体原子的作用均匀分散形成混合流体,并且热导率较纯Ar流体略有增大;而对于Ar-Cu流体,Cu原子依靠自身强大的作用聚集在一起形成悬浮流体,其热导率较纯Ar流体增加一个数量级。由此可见,不同势能的原于在纳米通道中的存在形式和所引起的流体传热特性不同。     

抛物槽式太阳能集热器内合成油基纳米流体传热特性的数值模拟

对Al₂O₃-合成油纳米流体在槽式太阳能集热管内的传热特性进行流体动力学数值模拟,重点考察纳米流体导热系数模型的影响。通过与管内Nusselt数半经验模型的预测结果对比,表明使用考虑布朗运动的纳米流体导热系数模型可较好地预测集热管内传热特性。研究表明纳米颗粒与流体基液的相对运动具有促进集热管内传热的作用。最后,定量研究纳米颗粒添加量对提高基础流体平均传热系数的影响,显示纳米流体在太阳能集热器中具有巨大应用潜力。     

匀强电场下TiO2-H2O纳米流体沉积及传热特性研究

为探究匀强电场下纳米流体在换热表面上的沉积特性,以两步法制备的TiO₂-H₂O纳米流体为研究对象,依托环形可视化在线监测实验台,通过改变匀强电场强度探究电场强度对TiO₂-H₂O纳米流体在换热表面上的沉积与传热特性。结果表明：电场的施加对TiO₂-H₂O纳米流体在换热表面沉积影响显著。其污垢热阻渐近值随着电场强度的加强先减小后增大,当电场强度E=30 k V·m^-1时对应的污垢热阻渐近值最低,抑垢率为32.13%。电场的施加还可以有效地延长清洁状态时长,在这一过程中,纳米颗粒不会沉积在换热表面导致传热性能的降低。此外,电场的施加还可以有效延长总传热系数的下降时间,当电场强度在30 k V·m^-1时,纳米流体中颗粒沉积对传热系数的影响最小,为33.2%。     

不同纳米流体在微通道内的流动传热特性研究

采用数值模拟的方法研究了不同工质在微通道内流动传热特性的差异。对比了去离子水、纳米流体Al₂O₃/Water、CuO/Water、TiO₂/Water、Cu/Water等工质在微通道内的流动传热特性,并研究了纳米颗粒的浓度对流动换热特性的影响。结果表明：CuO/Water作为冷却工质时的对流换热系数比水增加了9.6%,微通道底面平均温度降低了2.6 K,换热性能明显优于其他几种纳米流体。由于纳米颗粒的加入,纳米流体的粘度比水大,进出口的压降比水大。纳米颗粒的体积分数越大,对流换热系数越大,纳米流体在微通道内的换热性能越好。     

多孔介质中流体输运的孔尺度MD模拟

本文采用分子动力学(MD)方法对流体流过单个纳米尺度孔的过程进行数值模拟。纳米尺度孔是由两块平行的三氧化二铝平板构成的。通过对孔内每个水分子施加均匀的外力来驱动流体流动。分子之间的相互作用都采用12-6 L-J势能模型来描述。本文数值模拟了流体输运的孔尺度效应,分析了孔尺度对壁面速度是否存在滑移的影响,讨论了驱动力和通道尺度对滑移速度和壁面动力黏性系数的影响,模拟发现存在一临界尺度,它决定了是否存在滑移,还发现特定尺度下存在一临界驱动力,它决定了等效黏度的非牛顿流体特征。     

黏弹性流体基铜纳米流体流动与传热实验研究

成功建立了流体流动阻力和换热性能测试实验台,在45℃的流体温度下,对不同铜粒子体积分数和基液浓度的纳米流体在湍流状态下的对流换热特性和流动阻力进行了实验测量。实验结果表明:黏弹性流体基液中添加纳米粒子后,在降低对应基液减阻率的同时能明显增强传热性能.例如,将1.0%体积分数的铜纳米粒子添加到质量分数为6×10~(-4)的基液中所形成的黏弹性流体基纳米流体其综合性能指数K=0.47,表现了很好的传热强化和减阻性能.     

假塑性流体纳米压印中影响填充度的因素

作为新一代的半导体加工工艺, 直接金属纳米压印以其步骤简单、成本低等显著优点得到迅速的发展. 然而目前纳米压印中所采用的转移介质在流动状态下为牛顿流体, 牛顿流体的黏度是一个常量, 而假塑性流体具有黏度随着剪切速率的增大而逐渐减小的趋势, 更适用于纳米压印. 综合假塑性流体的剪切稀化特性以及直接金属图形转移的优点, 将不同大小的金属纳米粒子分散在基液中制成假塑性金属纳米流体并将其作为转移介质用于纳米压印中. 基于假塑性流体的Carreau流变模型利用COMSOL软件仿真分析金属纳米粒子假塑性流体参数集对图形压印转移的影响, 完成假塑性流体与牛顿流体分别作为转移介质实现图形转移的对比分析. 同时还得到了压印过程中影响填充度的各个因素, 如流体黏度、施加压强、掩模板移动速度等. 研究工作为金属纳米粒子假塑性流体制备以及纳米压印流程的设计提供了理论基础. 关键词： 纳米压印 假塑性流体 填充度     

Mo2C二维材料晶格热导率的第一性原理研究

Mo₂C是构建Mxene基器件的重要材料之一,对Mo₂C二维材料声子输运的理解非常必要.文章结合第一性原理方法和声子玻尔兹曼输运方程,研究了二维Mo₂C材料的晶格热导率.研究表明,室温下二维Mo₂C导热系数非常低,其锯齿方向和扶手椅方向的晶格热导率分别为7.20和5.04 W/mK.计算了声学振动和光学振动模式对晶格热导率的贡献,揭示总热导率主要由面内声学横波的振动模式所贡献.还进一步计算了声子群速度、声子弛豫时间、三声子散射空间和模式格林艾森参数,发现二维Mo₂C中的声子群速度和声子弛豫时间对晶格传输有重要的影响.     

封闭腔内纳米流体强化自然对流换热的数值模拟

采用F luen软件对封闭腔内Cu-H2O纳米流体强化自然对流换热进行了数值模拟,重点分析Cu纳米粒子添加量和Gr数对换热性能的影响,并解释其换热机理。研究结果表明:在水基液中加入Cu纳米粒子可以显著提高基液的自然对流换热特性。对于一给定的Gr数,随着纳米粒子质量分数的增加,纳米流体的速度组成部分增加,纳米流体质量分数越大,x方向和y方向的速度峰越大,因此加速了流体中能量传输。另一方面,随着Gr数的增加,流线图中旋涡逐渐变大,流线间强度增加,说明换热效果逐渐增强。当Gr数较小时,传热主要是由热壁和冷壁之间的热传导引起的,随着Gr数的增大,换热逐渐变为由对流换热占主导地位。     

磁流体流动与传热的格子Boltzmann模拟

考虑外加磁场下磁流体中纳米磁性粒子所受的各种作用力,建立了用于模拟磁流体流动与传热特性的两相格子Boltzmann模型,模拟了外加不同方向梯度磁场下平板间磁流体的流动与传热过程,计算了磁流体与平板间对流换热的Nusselt数,分析了磁场梯度方向、大小对Nusselt数的影响．     

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.     

Lu~(3+)掺杂对CdO陶瓷电、热输运性能的影响

利用传统固相烧结法制备了Cd1-xLuxO(x=0%,0.1%,0.5%,0.75%,1.0%,1.25%,1.5%,2%)陶瓷样品并研究了Lu3+掺杂对其电、热输运性能的影响.随着Lu3+掺杂浓度的增大,Cd1-xLuxO样品的室温载流子浓度持续增大而其迁移率表现出先增大后减小的趋势.在300—1000 K测试温度区间内,Cd1-xLuxO的电导率表现出金属电导行为且其电导率和热导率均随着Lu3+掺杂浓度的增大而升高;塞贝克系数在整个测试区间内均为负值,其随温度和载流子浓度的变化关系可用自由电子模型描述.     

High temperature transport processes in lithium niobate

The electrical conductivity of single crystal lithium niobate (LiNbO₃) was determined as a function of temperature for various oxygen partial pressures. The electrical conductivity is proportional to P_o2^−1/4 which can be explained by a defect equilibrium involving singly ionized oxygen vacancies and electrons.

Measurements of electrical transport numbers at 1000°K show the electrical conductivity of LiNbO₃ to be ionic at one atmosphere of oxygen and electronic at low oxygen partial pressures.

Thermoelectric measurements indicate that LiNbO₃ at low oxygen partial pressures is n-type and that the concentration of electrons at 1000°K and in an atmosphere of 50% C0/50% CO₂a is 4 × 10¹⁷cm³ with a mobility of 1.7 cm²V sec.

The diffusion of oxygen in LiNbO₃ was determined as a function of temperature at an oxygen partial pressure of 70 Torr. by measuring O¹⁸/O¹⁶ isotope exchange with the gas phase as a function of time. The diffusion data may be represented by D = 3.03 × 10⁻⁶ exp (−29.4 kcal mole⁻¹/RT)cm²sec. Consideration of the Nernst-Einstein relation for oxygen and the variation in conductivity with Li₂O activity indicate that the ionic conduction is caused by transport of lithium ions.     

Brownian dynamic simulation for the prediction of effective thermal conductivity of nanofluid

Nanofluid is a colloidal solution of nanosized solid particles in liquids. Nanofluids show anomalously high thermal conductivity in comparison to the base fluid, a fact that has drawn the interest of lots of research groups. Thermal conductivity of nanofluids depends on factors such as the nature of base fluid and nanoparticle, particle concentration, temperature of the fluid and size of the particles. Also, the nanofluids show significant change in properties such as viscosity and specific heat in comparison to the base fluid. Hence, a theoretical model becomes important in order to optimize the nanofluid dispersion (with respect to particle size, volume fraction, temperature, etc.) for its performance. As molecular dynamic simulation is computationally expensive, here the technique of Brownian dynamic simulation coupled with the Green Kubo model has been used in order to compute the thermal conductivity of nanofluids. The simulations were performed for different concentration ranging from 0.5 to 3 vol%, particle size ranging from 15 to 150 nm and temperature ranging from 290 to 320 K. The results were compared with the available experimental data, and they were found to be in close agreement. The model also brings to light important physical aspect like the role of Brownian motion in the thermal conductivity enhancement of nanofluids.     

纳米微粒BaFe12O19掺杂对单畴超导块材GdBa2Cu3O7-δ性能的影响

磁通钉扎性能对GdBa₂Cu₃O_7-δ超导块材的实际应用具有重要的影响, 而引入合适的第二相粒子可以改善GdBa₂Cu₃O_7-δ 超导块材的磁通钉扎性能.本文采用顶部籽晶熔融织构法成功地制备出纳米微粒BaFe₁₂O₁₉(<100 nm)掺杂的超导块材, 样品的最终组分为Gd123+ 0.4 Gd211+ x BaFe₁₂O₁₉ (x=0, 0.2 mol%, 0.4 mol%, 0.8 mol%)+ 10 wt%Ag₂O+ 0.5 wt%Pt. 通过研究不同掺杂量的BaFe₁₂O₁₉微粒对GdBa₂Cu₃O_7-δ 超导块材微观结构和超导性能的影响, 结果表明当掺杂量为0.2 mol%时, 样品的临界电流密度几乎在整个外加磁场下都有明显的提高.在零场下, 临界电流密度达到5.5× 10⁴ A/cm². 纳米微粒BaFe₁₂O₁₉不仅可以保持掺杂前的化学组成, 作为有效的钉扎中心存在于超导块材中, 并且能够改善Gd₂BaCuO₅粒子的分布和细化Gd₂BaCuO₅粒子, 使Gd₂BaCuO₅粒子的平均粒径由未掺杂时的1.4 μ m减小到掺杂后的0.79 μ m, 进而提高了超导块材的临界电流密度和俘获磁场, 明显提高了GdBa₂Cu₃O_7-δ 超导块材的超导性能.临界温度T_C也有所提升, 并能够维持在92.5 K左右. 该结果为进一步研究纳米磁通钉扎中心的引入并改善GdBa₂Cu₃O_7-δ 超导块材的性能有着重要的意义.     

温稠密钛电导率计算

温稠密物质是惯性约束核聚变、重离子聚变、Z箍缩动作过程中物质发展和存在的重要阶段. 其热力学性质和辐射输运参数在聚变实验和内爆驱动力学模拟过程中有至关重要的作用. 本文通过建立非理想Saha方程, 结合线性混合规则的理论方法模拟了温稠密钛从10^-5-10 g·cm^-3, 10⁴ K到3×10⁴ K区间的粒子组分分布和电导率随温度密度的变化, 其中粒子组分分布由非理想Saha方程求解得到. 线性混合规则模型计算温稠密钛的电导率时考虑了包括电子、原子和离子之间的多种相互作用. 钛的电导率的计算结果与已有的爆炸丝实验数据相符. 通过电导率随温度密度变化趋势判断, 钛在整个温度区间, 密度0.56 g·cm^-3时发生非金属相到金属相相变. 对于简并系数和耦合系数的计算分析, 钛等离子体在整个温度和密度区间逐渐从弱耦合、非简并状态过渡到强耦合部分简并态.     

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.     

Poly(ethylene oxide-co-epichlorohydrin)/NaI: a promising polymer electrolyte for photoelectrochemical cells

We have investigated the thermal and ionic conductivity properties of the elastomer poly(ethylene oxide-co-epichlorohydrin) filled with NaI and I₂. The reason for using this composition is its potential application as electrolyte in photoelectrochemical cells. This copolymer was characterized as a function of NaI concentration, temperature and relative humidity. According to the data obtained, the Na⁺ ion interacts with the ethylene oxide repeating units by means of Lewis type acid–base interactions. The empirical Vogel–Tamman–Fulcher equation was used to model the conductivity and temperature relationships, indicating that the conduction occurs in the amorphous phase of the copolymer. The sample with 9.0% (w/w) of NaI presents a conductivity of 1.5×10⁻⁵ S cm⁻¹ in a dry atmosphere (30°C, [H₂O]<1 ppm) and 2.0×10⁻⁴ S cm⁻¹ at 86% relative humidity (22°C).     

快重离子辐照对MoS2热导率的影响研究

利用0.97 GeV的209Bi离子辐照二硫化钼（MoS₂）晶体,辐照注量范围为1×1010～1×1012 ions/cm2,结合原子力显微镜（AFM）观测和Raman光谱分析研究了快重离子辐照对MoS₂热导率的影响。实验结果显示,快重离子辐照在MoS₂中产生了潜径迹,较高激光功率下的Raman测试使样品局部温度升高,导致E_1/2g和A_1g峰随注量增加向低波数方向移动,且峰形展宽。引入了通过改变激光功率测量Raman光谱得到MoS₂热导率的计算方法,获得了不同辐照注量下MoS₂的热导率的定量分析结果,随注量增加,热导率不断降低,从未辐照样品的563 W/mK下降到1×1012 ions/cm2辐照时的132 W/mK。Molybdenum disulphide (MoS₂) was irradiated by 0.97 GeV 209Bi ions with the fluence of 1×1010 to 1×1012 ions/cm2. The irradiation effect on the thermal conductivity of MoS₂ was analyzed by atomic force microscope (AFM) and Raman spectroscopy. The experimental results show that hillock-like latent tracks are observed on irradiated MoS₂ by AFM. The measurement of MoS₂ by Raman spectrometer with high laser power results in the increase of local temperature of MoS₂, which cause the downshift of peaks position and broadening of E_1/2g and A_1g peak. Furthermore, according to Raman spectra measured at different laser power, thermal conductivity of MoS₂ before and after irradiation was calculated, which show that the thermal conductivity of MoS₂ decreases with increasing fluence, from 563 to 132 W/mK for pristine and 1×1012 ions/cm2 irradiated MoS₂, respectively.     

含硫宽禁带Ga2Te3基热电半导体的声电输运特性

目前对宽禁带半导体热电材料的研究开始升温, 原因是本征情况下宽禁带半导体往往具有低的热导率和高的Seebeck系数. Ga₂Te₃ 是一类带有缺陷的宽禁带半导体, 其在临界温度680± 10 K和757± 10 K处会参与共析转变和包晶反应, 因此会产生反应热. 本次工作采用少量的S元素等电子替换Ga₂Te₃中的Te元素, 观察到在临界温度附近热焓的变化, 但没有相变发生. 受热焓变化的影响这类材料在临界温度附近出现了较活跃的声电输运行为, 具体表现为热容和Seebeck系数(α)明显增大及热扩散系数(热导率)和电导率下降. 例, 对于x=0.05的材料, 其α值从596 K 时的376.3(μV·K^-1)迅速增大到695 K时的608.2(μV·K^-1), 然后又随温度升高到764 K时迅速降低到213.8(μV·K^-1). 在596 K到812 K范围, Seebeck系数和电导率几乎随温度均呈Z字形变化. 这些输运行为的变化揭示了在Ga₂Te₃基半导体中声子和载流子的临界散射特点, 这种临界散射特征对以后的继续研究具有重要的参考价值.