气凝胶纳米多孔隔热材料传热计算模型的研究

本文研究并建立了气凝胶复合隔热材料传热计算模型.针对气凝胶纳米多孔材料的分形结构特征,结合规则交叉球杆结构,提出了气凝胶纳米多孔材料的分形交叉球杆结构模型,并以此结构模型为基础,建立了气凝胶纳米多孔材料热导率分形计算模型,模型中同时考虑了尺寸效应对气相、固相传热方式的影响.对气凝胶中添加的遮光剂、增强纤维等微米典型结构,以Mie辐射散射理论为基础,结合Rossland扩散近似模型,考虑了辐射传热对热量传递的增强作用;同时结合经典的两相系统等效热导率计算公式,获得复合材料的辐射导热耦合热导率计算模型.本文从纳米尺度的气凝胶多孔材料传热模型到微米尺度的气凝胶复合隔热材料传热模型,建立了完整的气凝胶纳米多孔复合隔热材料等效热导率计算模型.模型与多个文献中气凝胶材料热导率实验数值进行比较,获得了满意的结果,验证了模型应用于气凝胶复合隔热材料等效热导率预测计算方面的有效性.     

碳黑掺杂SiO_2气凝胶热辐射特性的蒙特卡罗计算

高温环境下纳米隔热材料内热辐射的影响显著增强,遮光剂的掺杂将不可或缺。为了研究遮光剂掺杂对纳米隔热材料热辐射特性的影响,本文发展蒙特卡罗数值方法(MCM)与Mie散射理论对碳黑遮光剂颗粒掺杂的SiO_2气凝胶热辐射特性进行了理论研究。研究结果表明:优化参数后的碳黑颗粒掺杂气凝胶可以有效阻隔辐射传热,并且提高材料的隔热性能。该方法对纳米隔热材料遮光剂的选取和优化具有指导意义。     

粉末和颗粒状二氧化硅气凝胶绝热材料的热导率测量

采用瞬态热带法在不同温度和不同压力下对粉末状及颗粒状SiO_2气凝胶的热导率进行了测量。采用低温氮气吸附法测量了样品的比表面积和介孔孔径分布。结果表明,两种被测样品的热导率随压力的变化规律相似,当压力约为1000 Pa时,热导率变化曲线会出现转折,当p1000 Pa时,热导率随压力的降低而减少缓慢,当p1000 Pa时,热导率下降很快。样品的热导率随环境温度的增加而显著增加,温度一定时,随平均孔尺寸的增大而增大。误差分析表明采用瞬态热带法测量时室温下的误差在3%以内。     

α-Al_2O_3介孔材料导热特性的模拟

本文针对α-Al2O3有序介孔材料的导热特性开展分子动力学模拟分析.提出了一种保证电中性的孔道结构构造方法;采用逆非平衡分子动力学方法(muller-plathe法),选取Matsui势为作用势,模拟计算了Al2O3介孔晶体材料在不同环境温度下沿孔道轴向方向的热导率;并借助全面实验分析法,设计了模拟条件,以考察孔径和孔隙率对热导率的影响.模拟结果显示:介孔Al2O3热导率先随温度的升高呈上升趋势,并在200—400 K之间取得极值;而后在400—1400 K范围内,热导率随温度的升高几乎呈线性下降.孔隙率一定时,随孔径增大,介孔Al2O3材料比表面积降低,界面散射的抑制作用减弱,使材料热导率略有上升;孔径一定时,随孔隙率上升,孔道壁面声子数减少,材料热导率下降明显;相对于孔径因素,材料孔隙率对声子导热影响更大.     

纳米孔模板浸润法制备聚乙烯纳米线阵列的热导率的实验研究

采用纳米孔模板润湿技术制备了直径为200 nm的低密度聚乙烯(LDPE)纳米线阵列, 并利用纳秒激光闪光法测量了20—80℃时LDPE纳米线阵列的热导率. 测量得到室温时LDPE纳米线阵列的热导率为2.2 W/mK, 大约比其体材料的热导率高1个数量级, 并且纳米线阵列的热导率随温度的升高略有增加. 忽略纳米线之间的声子散射, 估算得到室温下单根LDPE纳米线的热导率高于5 W/mK. 本文制备LDPE纳米线热导率的提高源自其分子链定向度增加导致的低维导热效应的增强, 纳米线的分子链定向度受工艺过程中流体剪切、振动、分子链迁移运动、 纳米孔约束等几种因素的综合影响.     

多约束纳米结构的声子热导率模型研究

纳米技术的快速发展使得对微纳尺度导热机理的深入研究变得至关重要. 理论和实验都表明, 在纳米尺度下声子热导率将表现出尺寸效应. 基于声子玻尔兹曼方程和修正声子平均自由程的方法得到了多约束纳米结构的声子热导率模型, 可以描述多个几何约束共同作用下热导率的尺寸效应. 不同几何约束对声子输运的限制作用可以分开计算, 总体影响则通过马西森定则进行耦合. 对于热流方向的约束, 采用扩散近似的方法求解声子玻尔兹曼方程; 对于侧面边界约束, 采用修正平均自由程的方法计算边界散射对热导率的影响. 得到的模型能够预测纳米薄膜(法向和面向)及有限长度方形纳米线的热导率随相应特征尺寸的变化. 与蒙特卡罗模拟及硅纳米结构热导率实验值的对比验证了模型的正确性.     

CoSb3纳米薄膜的制备与热电性能

通过对低压化学气相沉积制得的CoSb3纳米薄膜在300～800K温度范围内的热电性能测试,发现其电阻率较其他单晶CoSb3块状样品低一个量级,热导率值在1.08～4.05 Wm-1K-1之间,比单晶CoSb3低得多.这表明纳米结构导致热导率显著降低,最高热电优值在773K出现且为0.114.这种纳米薄膜材料在研制新型高效热电半导体方面板具应用前景.     

TiO2/ZnO纳米薄膜界面热导率的分子动力学模拟

采用平衡分子动力学方法及Buckingham势研究了金红石型TiO₂薄膜与闪锌矿型ZnO薄膜构筑的纳米薄膜界面沿晶面[0001](z轴方向)的热导率.通过优化分子模拟初始条件中的截断半径r_c和时间步后,计算并分析了平衡温度、薄膜厚度、薄膜截面大小对热导率的影响.研究表明,薄膜热导率受薄膜温度和厚度的影响很大,当温度由300 K升高600 K时,薄膜的热导率逐渐减小;当薄膜厚度由1.8 nm增大到5 nm时,热导率会逐渐增大;并在此基础 关键词： 热导率 分子动力学 2/ZnO纳米薄膜界面')" href="#">TiO₂/ZnO纳米薄膜界面 数值模拟     

超低温下金纳米薄膜导电和导热性质的实验研究

受到晶界和表面对电子散射的影响,金属纳米薄膜在导电和导热方面表现出与体材料不同的性质。实验研究了厚度为76 nm的金薄膜在不同温度(3～240K)下的导电和导热特性。结果表明薄膜电导率和热导率均大大低于体材料值;薄膜和体材料的电导率随温度变化趋势相同,热导率的变化趋势相反;薄膜的Lorenz数大于体材料值,Wiedemann-Franz定理不成立。     

Ag-ZnO纳米复合热电材料的制备及其性能研究

ZnO是一类具有潜力的热电材料, 但其较大声子热导率影响了热电性能的进一步提高. 纳米复合是降低热导率的有效途径. 本文以醋酸盐为前驱体, 溶胶-凝胶法制备了Ag-ZnO纳米复合热电材料. 扫描电镜照片显示ZnO颗粒呈现多孔结构, Ag纳米颗粒分布于ZnO的晶粒之间. Ag-ZnO纳米复合材料的电导率比未复合ZnO材料高出100倍以上, 而热导率是未复合ZnO材料的1/2. 同时, 随着Ag添加量的增加, 赛贝克系数的绝对值逐渐减小. 综合以上原因, 添加7.5%mol Ag的Ag-ZnO纳米复合材料在700 K时的热电优值达到0.062, 是未复合ZnO材料的约25倍. 在ZnO基体中添加导电金属颗粒有利于产生导电逾渗通道, 提高材料体系的电导率, 但同时导致赛贝克系数的绝对值减小. 总热导率的差异来源于声子热导率的差异. 位于ZnO晶界的纳米Ag颗粒, 有利于降低声子热导率. 关键词： 热电材料 ZnO 纳米复合 热导率     

基于微拉曼光谱技术的氧化介孔硅热导率研究

利用基于有效介质理论的介孔硅传热机理,提出一个用于分析氧化介孔硅热导率的理论模型,对影响氧化介孔硅有效热导率的因素进行了理论分析,得出用于计算氧化介孔硅有效热导率的计算公式. 采用双槽电化学腐蚀法制备介孔硅,利用微拉曼光谱技术研究了氧化介孔硅热导率随所制备介孔硅孔隙率的变化规律,比较了经不同温度处理的氧化介孔硅的导热性能差异. 孔隙率为60%,73.4%和78.8%的所制备介孔硅经300℃氧化处理后,其热导率值为8.625W/(m·K),3.846W/(m·K)和1.817W/(m·K);孔隙率为73.4 关键词： 理论模型 氧化介孔硅 微拉曼光谱 有效热导率     

基于微拉曼光谱技术的氧化介孔硅热导率研究

利用基于有效介质理论的介孔硅传热机理，提出一个用于分析氧化介孔硅热导率的理论模型，对影响氧化介孔硅有效热导率的因素进行了理论分析，得出用于计算氧化介孔硅有效热导率的计算公式. 采用双槽电化学腐蚀法制备介孔硅，利用微拉曼光谱技术研究了氧化介孔硅热导率随所制备介孔硅孔隙率的变化规律，比较了经不同温度处理的氧化介孔硅的导热性能差异. 孔隙率为60%，73.4%和78.8%的所制备介孔硅经300℃氧化处理后，其热导率值为8.625W/(m·K)，3.846W/(m·K)和1.817W/(m·K)；孔隙率为73.4     

介孔材料MCM-41的导热研究

文章根据二氧化硅介孔材料MCM-41纳米孔结构特点,首先建立和验证了纳米结构单元模型,然后使用平衡分子动力学方法模拟了孔壁热导率;接着耦合孔隙内气体导热,开展了一维传热分析,最终提炼出MCM-41的有效热导率表达式;并对壁厚、孔径和孔隙率对热导率的影响进行了分析.研究结果表明,MCM-41具有良好的绝热性能,其有效热导率随孔隙率增大近似呈线性减小,且表现出各向异性;导热性能沿孔道长度方向表现出准一维特性. 关键词： 有效热导率 介孔材料 MCM-41 平衡分子动力学     

介孔二氧化硅双重孔隙的导热特性研究

介孔二氧化硅颗粒的双重孔隙分布特征对材料的导热性能具有显著影响。本文通过微观形态表征分析了介孔二氧化硅的复合孔道，并基于受限空间内的气体分子动力学理论，构建了双重孔隙结构的热导率关联模型。为了验证理论模型的合理性与准确性，采用瞬态热带法测量了介孔二氧化硅材料(MCM-41和SBA-15)在0～30 MPa和20～550℃的环境压力及温度变化下的有效热导率。实验测量结果表明，本文理论模型可以有效预测介孔二氧化硅颗粒热导率的变化规律。进一步根据模型分析可知，材料热导率随着环境温度及压力的升高而增长，表现出明显的正相关性，同时其微观结构的差异也是热导率变化的决定性因素。     

基于量子修正的石墨烯纳米带热导率分子动力学表征方法

本文提出了基于量子修正的非平衡态分子动力学模型,可用于石墨烯纳米带热导率的表征.利用该模型对不同温度下,不同手性及宽度的石墨烯纳米带热导率进行了研究,结果发现:相较于经典分子动力学模型给出的热导率随温度升高而单调下降的结论,在低于Debye温度的情况下,量子修正模型的计算结果出现了反常现象.本文研究还发现,石墨烯纳米带的热导率呈现出明显的边缘效应及尺度效应:锯齿型石墨烯纳米带的热导率明显高于扶手椅型石墨烯纳米带;全温段的热导率及热导率在低温段随温度变化的斜率均随宽度的增加而增大.最后,文章用Boltzmann声子散射理论对低温段的温度效应及尺度效应进行了阐释,其理论分析结果说明文章所建模型适合在全温段范围内对不同宽度和不同手性的热导率进行精确计算,可为石墨烯纳米带在传热散热领域的应用提供理论计算和分析依据.     

水基ZnO纳米流体电导和热导性能研究

利用水热法生成了形状规则、粒径均匀的球形ZnO纳米颗粒, 并超声分散于水中, 制备得到稳定的水基ZnO纳米流体. 实验测量水基ZnO纳米流体在体积分数和温度变化时的电导率, 并测试室温下水基ZnO纳米流体在不同体积分数下的热导率. 实验结果表明, ZnO纳米颗粒的添加较大地提高了基液(纯水)的热导率和电导率, 水基ZnO纳米流体的电导率随纳米颗粒体积分数增加呈非线性增加关系, 而电导率随温度变化呈现出拟线性关系; 纳米流体的热导率与纳米颗粒体积分数增加呈近似线性增加关系. 本文在经典Maxwell热导模型和布朗动力学理论的基础上, 同时考虑了吸附层、团聚体和布朗运动等因素对热导率的影响, 提出了热导率修正模型.将修正模型预测值与实验值对比, 结果表明修正模型可以较为准确地计算出纳米流体的热导率. 关键词： 水热法 电导率 热导率 热导模型     

纳米结构碲化铋合金的制备及电热输运特性

采用惰性气体保护蒸发-冷凝法制备了纳米Bi及Te粉末, 结合机械合金化和放电等离子烧结技术, 在不同烧结温度下制备出了单一物相且具有纳米层状结构及孪晶亚结构的n型Bi₂Te₃块体材料, 并系统研究了块体材料的晶粒尺度、微结构及其对电热传输特性的影响. SEM, TEM分析结果表明, 以纳米粉末为原料, 通过有效控制工艺条件, 可以制备出具有纳米层状结构Bi₂Te₃合金块体材料, 同时纳米层状结构中存在孪晶亚结构; 热电性能测试结果表明, 具有纳米层状结构及孪晶亚结构的块体试样与粗晶材料相比, 热导率大幅度降低, 在423 K附近, 热导率由粗晶材料的1.80 W/mK降至1.19 W/mK, 晶格热导率从1.16 W/mK降至0.61 W/mK, 表明纳米层状结构与孪晶亚结构共存, 有利于进一步提高声子散射, 降低晶格热导率. 其中在693 K放电等离子烧结后的试样于423K附近取得最大值的无量纲热电优值(ZT), 达到0.74.     

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SiO_2/环氧树脂复合材料介电性与纳米粒子分散性关系

利用硅烷偶联剂改性纳米SiO_2,制得改性纳米SiO_2分散液和改性纳米SiO_2颗粒.分别利用"机械法"和"气泡法"制备纳米SiO_2含量为2 wt%,3 wt%,4 wt%,5 wt%和6 wt%的未改性纳米SiO_2复合环氧树脂和改性纳米SiO_2复合环氧树脂,测试了复合环氧树脂的击穿特性和耐电晕特性.测试结果表明,复合环氧树脂的击穿场强和耐电晕性随纳米SiO_2含量的增加而增加,击穿场强在5 wt%纳米SiO_2含量时达到最大值,"气泡法"制备的改性纳米SiO_2复合环氧树脂的击穿场强和耐电晕性优于所制备的其他复合环氧树脂.以5 wt%纳米SiO_2含量复合环氧树脂为例,通过森下氏分散指数(Morisita’s index)方法对复合环氧树脂中纳米SiO_2的分散性进行定量表征,得出"气泡法"制得的纳米SiO_2/环氧树脂复合材料的分散性优于"机械法"制备的复合材料.研究发现纳米SiO_2在环氧树脂基体中分散性越好,复合材料的击穿特性和耐电晕性越好.     

金纳米薄膜导电和导热性质的实验研究

由于尺寸效应和晶界效应的影响,纳米薄膜在导电和导热方面呈现出与体材料不同的性质.本文实验研究了不同厚度(20～54 nm)金薄膜在不同温度(100～340 K)的导电、导热性质.测量结果显示,薄膜的电导率和热导率比体材料小,洛伦兹数比体材料大,Wiedemann-Franz定律不再成立.随着厚度增加,薄膜的电导率,热导率和电阻温度系数都增加.薄膜热导率随温度变化趋势与体材料相反,随着温度升高而升高.电导率随温度变化趋势与体材料相同,随着温度升高而降低;但薄膜没有体材料对温度变化敏感,导致电阻温度系数下降.