保温时间对聚对亚苯基/LiNi-铁氧体纳米复合材料输运性能的影响

以溶剂热法合成聚对亚苯基/LiNi_0.5Fe₂O₄纳米复合材料,分别对放电等离子烧结时不同保温时间制备的样品的电导率和热导率进行了研究。发现,保温时间不同对聚对亚苯基/ LiNi_0.5Fe₂O₄纳米复合材料的电导率没有明显的影响,但对热导率具有一定的影响,保温时间越长热导率越大。保温时间延长,导致铁氧体晶粒长大,使材料体系的声子平均自由程增加,因此声子热导率增加,从而导致总热导率的增加。由于铁氧体具有较差的电输运特性,因此晶粒长大对电导率大小没有明显的影响。     

介孔复合材料内界面热阻及热导率

界面广泛存在于复合材料中,对介孔复合材料热物性起着决定性的影响,研究界面的导热特性对于认识和理解介孔复合材料的导热机制十分重要。利用非平衡的分子动力学模拟方法计算介孔复合材料中基材与填充物间的界面热阻,考察界面热阻随温度、材料质量差异的变化,进一步用界面热阻修正介孔复合材料的有效热导率。结果表明,界面热阻的数量级为10^-11m²·K·W^-1,并随温度升高逐渐降低。界面两端材料质量差异越大,界面热阻越高。可通过减小孔径、减小纳米线长度、增大纳米线间距、降低纳米线填充率来降低介孔复合材料的有效热导率。界面热阻能降低材料的有效热导率。孔径越小、纳米线间距越小、纳米线长度越长、填充率越高,界面热阻降低热导率效果越显著。     

扭转作用对聚乙烯链导热性能的影响

聚乙烯块体材料是一种绝缘体,其导热性能可以通过掺杂或拉伸等方法提升,纳米尺度下的聚乙烯单链沿长度方向拥有很高的热导率。针对聚乙烯链,通过平衡态分子动力学方法对原始单链、多链、扭转链和拉伸链进行热导率计算。结果显示,单链扭转后其热导率小幅度降低,多链按照特定方式扭转会小幅度增强整体的热导率。此外,多链整体拉伸时热导率会极大地提升。基于上述结果提出一种导热性能更好的扭转拉伸链。研究结果可对多种物理过程作用下聚合物链导热性能的提升工作提供参考。     

若干新型热电材料的热输运调控及热逻辑器件

随着电子和能源科技的发展,基于纳米结构调控的新型热电材料以及热逻辑器件研究正受到越来越多的关注。本工作围绕几种具有应用潜力的热电材料,利用项目团队自主开发的微纳尺度热输运测试系统,从理论和实验上研究了原子及纳米尺度结构对热输运特性的调控机制,包括:全组分Si_1–xGe_x合金薄膜的原子合金化,Bi₂Ca₂Co₂O_y层状结构单晶的错配界面,超离子导体A_0.5Rh O₂ （A=K,Rb,Cs）单晶的离子局域共振,准一维结构Zr Te₅/Hf Te₅单晶中的疏松微结构,以及Sn Se单晶中的Sn Se₂原子级插层,总结了不同尺度结构和原子间作用力对热传导性质的影响规律,为探索低热导率、高热电转换性能的新型热电材料提供有效的调控方案。最后,介绍了利用相变转换机制实现热导率高效动态调控的实验结果,及其在热逻辑器件方面的潜在应用。     

扭转作用对聚乙烯链导热性能的影响

聚乙烯块体材料是一种绝缘体,其导热性能可以通过掺杂或拉伸等方法提升,纳米尺度下的聚乙烯单链沿长度方向拥有很高的热导率。针对聚乙烯链,通过平衡态分子动力学方法对原始单链、多链、扭转链和拉伸链进行热导率计算。结果显示,单链扭转后其热导率小幅度降低,多链按照特定方式扭转会小幅度增强整体的热导率。此外,多链整体拉伸时热导率会极大地提升。基于上述结果提出一种导热性能更好的扭转拉伸链。研究结果可对多种物理过程作用下聚合物链导热性能的提升工作提供参考。     

十二醇-癸酸-纳米粒子复合相变材料传热性能

针对有机相变材料热导率低的共性,以质量比为58.47:41.53的脂肪烃类低共熔有机物十二醇(DA)-癸酸(CA)为基液,添加纳米粒子MWNT、Cu、Al₂O₃及分散剂SDBS制备出纳米复合相变材料,从纳米粒子种类、添加浓度及超声时间方面研究其对复合有机相变材料热物性的影响。实验发现MWNT、Cu、Al₂O₃的添加都可以不同程度上提高DA-CA的热导率。当超声时间为50min、纳米粒子浓度均为0.1g·L^-1时3种纳米复合材料的热导率大小依次是:MWNT>Al₂O₃>Cu。最优例:超声分散时间90min,DA-CA+MWNT(0.1g·L^-1)+SDBS(0.2g·L^-1)的热导率最大,为0.3602W·m^-1·K^-1,相较DA-CA提高了20.5%,在不影响基液热物性的基础上具有良好的热稳定性。     

相变套管式储热系统放冷性能实验研究

搭建了套管式相变储热实验系统,分别填充不同质量分数膨胀石墨与正十五烷制备而成的复合相变材料,对系统进行重复充放冷循环实验。采用有效储热比E_st和储能效率ε来表征系统性能,研究了复合相变材料中换热增强对套管式潜热储能系统放冷性能的影响。结果表明：同Re数下,相变材料热导率为0.14 W·m^-1·K^-1（工况A）放冷结束时间为1770 s,相同Re条件下热导率提升至7.10 W·m^-1·K^-1（工况B）和11.60 W·m^-1·K^-1（工况C）的结束时间分别可缩短77.3%、78.9%;热导率的增加可显著提高系统有效储热比E_st和储能效率ε,热导率从0.14 W·m^-1·K^-1增加到11.60 W·m^-1·K^-1,E_st在层流区、过渡区和湍流区分别可提升33.3%、350.0%及129.6%,ε分别可提升26.8%、52.9%及14.6%;Re的增加使得工况A和工况B中E_st和ε呈现下降趋势,工况C中E_st在Re=4298出现峰值1.62。     

铌酸锂晶体缺陷研究中的介尺度团簇演变

铌酸锂晶体中存在着丰富的缺陷结构，主要包括V_Li、Nb_Li⁴⁺、V_Nb以及V_O等点缺陷。缺陷的存在会在很大程度上影响铌酸锂晶体的性质，如压电、电光、铁电、光折变、非线性光学性质以及激光损伤阈值，进而影响声表面波、电光调制器、声光调制器、温度/压力/加速度传感器等器件性能。铌酸锂晶体中缺陷形成的主要过程可以归结为以O^2–为中心的介尺度团簇演变。明确铌酸锂晶体缺陷形成过程中的介尺度团簇演变机制对于缺陷的控制具有十分重要的意义。本文将从缺陷类型、形成能以及介尺度团簇模型研究铌酸锂晶体中缺陷的动态演变过程以及形成机制。最后分析铌酸锂晶体结构中缺陷导致的杂化、再杂化过程，同时考虑多种自由度的耦合，为铌酸锂晶体的缺陷控制、快速生长以及性能调控贡献力量。最后举例介绍分析铌酸锂晶体缺陷与性质、功能的关联关系。     

单层XSe2(X=Zr/Hf)的热电输运特性研究

基于第一性原理的密度泛函理论(DFT)结合Boltzmann输运方程(BTE)和形变势理论(DP)系统地研究了单层ZrSe₂和HfSe₂的热电输运特性，分析了二者声子的谐性效应和非谐性效应对其晶格热导率的影响机理，并计算了不同温度下二者的塞贝克系数、功率因数、电导率等热电参数。研究结果表明：在300 K时，单层ZrSe₂和HfSe₂的晶格热导率分别为3.23和4.50 W/(m·K)，且随温升降低；各声子支中横向声学支(TA)对热导率的贡献起主要作用。300 K时n型单层ZrSe₂和HfSe₂的最高ZT分别为1.50和1.95(高于p型)，其中单层HfSe₂表现更佳，因此n型单层HfSe₂是一种良好的热电材料。该研究结果可为基于单层ZrSe₂和HfSe₂的热电设计和应用提供理论指导及借鉴。     

硬脂醇改性的氧化石墨烯/正十八烷复合相变材料的热物性研究

向正十八烷中加入高导热填充物形成复合相变材料(PCM),可以很好地提升其导热性能,同时,为了保证符合相变材料的高热导率、分散性和再循环可靠性,利用硬脂醇修饰氧化石墨烯(GO),形成改性石墨烯(MG)与正十八烷的复合相变材料。分别制备了改性石墨烯质量分数为0、1%、2%、3%、4%(质量)的改性石墨烯/正十八烷复合相变材料,并经过扫描电镜测试、红外光谱分析、差示扫描量热实验及导热分析等测试对其形貌结构及热物性进行表征和研究。实验表明制备的改性石墨烯/正十八烷复合相变材料具有很好的分散性;当纳米石墨烯片的质量分数达到4%时,复合相变材料的热导率相对于纯正十八烷高出了131.9%。     

三维石墨烯-碳纳米管复合结构热导率的分子动力学模拟

采用非平衡分子动力学方法模拟了三维石墨烯-碳纳米管复合结构的法向热导率。结果表明相比于多层石墨烯,其法向热导率提高了一个量级,其界面热阻相比碳纳米管的接触热阻降低了一个量级,但是石墨烯和碳纳米管的界面形变又阻碍了三维石墨烯-碳纳米管复合热导率的进一步提高。通过其振动态密度和重叠能进一步探究了三维石墨烯-碳纳米管复合结构结构能量的传递及声子的局域化情况。结果表明,碳管的添加激发了更多中高频声子振动参与传热,但是依然是低频声子占据主导;验证了界面处的形变是阻止法向热导率进一步提升的主要因素。     

二维氮化铝材料传热性能的模拟研究

二维氮化铝材料是一种新型Ⅲ-Ⅴ族二维材料,具有与石墨烯相似的分子结构和材料性能,受到了广泛的关注,然而其导热性能尚未被充分探讨。应用分子动力学模拟的方法研究了单层二维氮化铝在不同温度的热稳定性和导热性能,并分析了其声子频谱。结果表明,单层二维氮化铝材料可以在极高温度（3500 K）下保持结构稳定性,同时在常温情况热导率可达264.2 W·m^-1·K^-1;在500 K以上温度时,声子色散现象使得该材料热导率明显降低。为二维氮化铝材料导热过程的调控和高温导热材料的应用提供了理论指导。     

Thermal conductivity in porous silicon nanowire arrays

The nanoscale features in silicon nanowires (SiNWs) can suppress phonon propagation and strongly reduce their thermal conductivities compared to the bulk value. This work measures the thermal conductivity along the axial direction of SiNW arrays with varying nanowire diameters, doping concentrations, surface roughness, and internal porosities using nanosecond transient thermoreflectance. For SiNWs with diameters larger than the phonon mean free path, porosity substantially reduces the thermal conductivity, yielding thermal conductivities as low as 1 W/m/K in highly porous SiNWs. However, when the SiNW diameter is below the phonon mean free path, both the internal porosity and the diameter significantly contribute to phonon scattering and lead to reduced thermal conductivity of the SiNWs.     

纳米材料/十四酸混合相变蓄热材料的制备与特性

选用纳米金属Cu和碳素材料石墨烯纳米片（GnPs）为改性剂分别添加至十四酸（MA）中,制备出Cu质量分数为1%、2%、3%和4%的Cu/MA混合相变蓄热材料及GnPs质量分数为1%、2%和3%的GnPs/MA混合相变蓄热材料,并对混合相变材料性能进行表征。结果表明：Cu/MA固态和液态热导率随Cu质量分数增加呈线性提高,1%（质量）GnPs/MA固态热导率较纯MA显著提高101.51%,随GnPs质量分数增加,热导率增幅减缓;FT-IR谱图表明Cu与MA及GnPs与MA间的混合均为物理作用;DSC结果显示添加Cu或GnPs可降低MA的过冷度和相变潜热,且随质量分数增加,相变潜热逐渐降低;4%（质量）Cu/MA和3%（质量）GnPs/MA放热时间相比于纯MA分别减少了23.4%和38.7%;4%（质量）Cu/MA和3%（质量）GnPs/MA在经历300次快速热循环试验后,晶体结构和相变温度基本保持不变,相变潜热分别降至168 J·g^-1和181 J·g^-1左右,仍满足蓄放热要求,两种材料均具有良好的热循环稳定性。     

甲烷水合物声子导热及量子修正

采用平衡分子动力学方法模拟了甲烷水合物的导热,给出了30～150 K甲烷水合物的热导率。采用量子修正对分子模拟结果进行处理,可以得到更接近实验值的结果。当模拟温度低于德拜温度时,量子效应对分子模拟结果的影响较大。通过对热流自相关函数拟合得到了声学声子和光学声子的弛豫时间。结果显示,声子弛豫时间随温度增加逐渐减小,声学声子导热在水合物的导热中比重最大。随着碳氧原子之间相互作用力的增加,碳氧原子之间振动的耦合程度增加,甲烷水合物的热导率增加。     

Promoted electron transport and sustained phonon transport by DNA down to 10 K

This work reports on a pioneering study of the electron transport in nanometer-thick Ir film supported by a DNA fiber, and the phonon transport sustained by the DNA itself. By evaluating the electrical resistivity (ρ_e)∼temperature relation based on the Block-Grüneisen theory, we find the Ir film has weak phonon softening indicated by 7–15% Debye temperature reduction. The Ir film's intrinsic ρ_e is promoted by DNA electron thermal hopping and quantum tunneling, and is identical to that of bulk Ir. Although the nanocrystalline structure in ultrathin metallic films intends to give a higher Lorenz number since it reduces the electrical conductivity more than thermal conductivity, the DNA-promoted electron transport in the Ir film preserves a Lorenz number close to that of bulk crystalline Ir. By defining a new physical parameter entitled “thermal reffusivity”, the residual phonon thermal resistivity of DNA is identified and evaluated for the first time. The thermal reffusivity concept can be widely used to predict the phonon thermal transport potential of defect-free materials. We predict that the thermal diffusivity of defect-free DNA fiber could be 36–61% higher than the samples studied herein. The structure domain size for phonon diffusion/scattering is determined as 0.8 nm in DNA.     

有机-无机复合相变材料的研究进展

有机相变材料具有过冷度小、无相分离、蓄热强等优势,在相变储热领域一直受到广泛的关注。然而,较低的热导率、液相泄漏和较差的热稳定性成为限制其应用的瓶颈缺陷。近几年,有机-无机复合相变材料的研究成为新的热点,极大地促进了有机相变材料的应用和发展。本文综述了常见的提高有机相变材料导热性能的高导热性纳米材料,以及制备有机-无机定形复合相变材料常选用的多孔支撑材料,并从制备方法、作用方式和热物性等方面介绍了有机-无机复合相变材料,复合相变材料相比于单一纯相变材料具有诸多优越的性能。预测有关结构优化、封装工艺并与高效储能系统结合的研究会成为有机-无机复合相变材料未来的发展趋势。     

硬脂酸/活化凹凸棒石复合相变储热材料的制备与表征

以热活化的甘肃临泽凹凸棒石为基体,采用热熔法和浸渍法制备了硬脂酸/活化凹凸棒石复合相变储热材料。利用红外光谱仪(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)等方法表征了复合材料的结构,采用示差量热扫描仪(DSC)和储放热实验考察了复合材料的储/放性能和稳定性。结果表明采用热熔法和溶液浸渍法制备的材料具有相同的结构,硬脂酸按38.5%的负载率以物理作用吸附于活化凹凸棒石表面,其相应的相变焓分别为68.44 J/g和69.06 J/g。稳定性实验表明2种材料均具有良好的化学稳定性,但热稳定性存在差异,热熔法制备的复合材料的热稳定性优于浸渍法制备的复合材料。     

Changes in the thermophysical properties of microcrystalline cellulose as function of carbonization temperature

Thermophysical properties of carbon materials derived from microcrystalline cellulose have been studied under vacuum and compared with earlier measurements conducted under nitrogen to better understand the influence of porosity, composition, microstructure, and atmosphere effects. The effective thermal conductivity in vacuum is lower than that observed in nitrogen primarily due to the conductivity of nitrogen gas. Radiation effects in both atmospheres were determined to be negligible. Reduction of thermal diffusivity in nitrogen was attributed to the effects of nitrogen gas phonon scattering. The trends for electrical and thermal property changes with structure are similar but not identical due to the differences in electron and phonon transport mechanisms.     

Effect of yttria on thermal transport and vibrational modes in yttria-stabilized hafnia

Low thermal conductivity plays an essential role in application relevant to thermal energy conversion and management. In this paper, we utilize molecular dynamics to investigate the thermal transport and lattice variation modes in yttria-stabilized hafnia, which only contains binary oxides of Y₂O₃ and HfO₂. It is found that the thermal conductivity κ of yttria-stabilized hafnia decreases significantly with the increase of doping ratio of Y₂O₃, and then reaches a limiting value (～2.1 W m^?1K^?1), because of the strong phonon scattering of oxygen vacancies. Importantly, a glass-like thermal conductivity κ is achieved in yttria-stabilized hafnia samples when the content of Y₂O₃ exceeds 15 mol%. By decomposing the phonon vibrational modes, we find that most of the heat is transported by diffusive modes. As a result, the κ exhibits a glass-like feature in yttria-stabilized hafnia samples with high content of Y₂O₃. Notably, the κ of yttria-stabilized hafnia is much lower than those of classical functional ceramics materials. The insight into the κ in yttria-stabilized hafnia system is beneficial for understanding and reducing the κ of materials through defect engineering. Despite its simple composition, yttria-stabilized hafnia with different doping ratios demonstrates unexpected high scattering rate of phonon vibration density states, which is confirmed by the diffused wavevector-frequency dispersion. Eigenvector periodicity and phonon participation ratio of phonon have been visualized to capture the distribution of phonon modes in yttria-stabilized hafnia with various dopant. This work investigates into the details of phonon vibrational modes in yttria-stabilized hafnia, which would be valuable for conducting experiments to acquire low thermal conductivity materials in laboratory.