發(fā)布時(shí)間：2018-02-17 00:35

  本文關(guān)鍵詞： 納米基元 介孔材料 相變 微尺度效應(yīng) 熱特性　出處：《北京科技大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：金屬納米基元(如納米顆粒、納米線等),是由原子、分子過度到宏觀塊材的一類新的微觀存在。小尺度效應(yīng)、表面效應(yīng)以及特殊制備方法形成的特殊結(jié)構(gòu),使其熱物理行為和熱物理性質(zhì)相對(duì)于體材料表現(xiàn)出特異性。本文主要采用分子動(dòng)力學(xué)模擬,研究了微納金屬顆粒/線的相變行為及相變熱特性,以及團(tuán)聚對(duì)納米尺度熔化的影響。進(jìn)一步選擇典型的介孔基材開展傳熱特性的研究。最后考慮復(fù)合體的相變熱特性,尤其是基材的引入對(duì)納米填充物相變行為的影響。 首先,針對(duì)零維金屬納米顆粒、一維金屬納米線,進(jìn)行了相變過程的模擬,獲得了低維金屬材料的相變形態(tài)及熱特性,并重點(diǎn)探討了尺寸效應(yīng)對(duì)其熔凝點(diǎn)、比熱、潛熱的影響。研究表明：低維金屬材料的相變點(diǎn)遠(yuǎn)低于塊體材料,且有強(qiáng)烈的尺寸依賴性；納米材料比熱要略高于塊材,隨尺寸增大而變�。荒栂嘧儩摕犭S粒徑增加有上升的趨勢(shì)。此外,觀察到納米材料熔化行為的異常,如,凝固點(diǎn)遠(yuǎn)滯后于熔點(diǎn)、小尺寸金屬納米顆粒由于幾何體的重構(gòu)導(dǎo)致熔點(diǎn)出現(xiàn)無規(guī)則變化、超細(xì)納米線熔化過程中會(huì)出現(xiàn)斷裂或是成團(tuán)。考慮到團(tuán)聚是納米材料使用過程中無法避免的現(xiàn)象,重構(gòu)了顆粒團(tuán)聚體模型,結(jié)果表明,團(tuán)聚的出現(xiàn)大幅度降低了熔點(diǎn)的尺度效應(yīng),小顆粒團(tuán)聚后易形成整體,導(dǎo)致熔點(diǎn)高于大顆粒團(tuán)聚體。團(tuán)聚引起固態(tài)比熱尺度效應(yīng)的淡化,卻加劇了液態(tài)比熱尺度效應(yīng),同時(shí)導(dǎo)致了摩爾潛熱的提升。 為了驗(yàn)證模擬結(jié)果,接下來開展了銀納米單顆粒溶液、團(tuán)聚體粉末的實(shí)驗(yàn)表征和熱測(cè)試,獲得其物相結(jié)構(gòu)、形貌、尺寸及熔點(diǎn)。引入修正因子對(duì)單顆粒模擬結(jié)果的擬合公式進(jìn)行了修正。而納米粉末的熔點(diǎn)測(cè)試值也進(jìn)一步說明考慮團(tuán)聚的模擬結(jié)果能更好的進(jìn)行預(yù)測(cè)。 其次,研究典型有序介孔基材的傳熱特性。以介孔碳CMK-3及介孔二氧化硅MCM-41為代表,構(gòu)建無定形結(jié)構(gòu)模型并進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)證。分別采用平衡分子動(dòng)力學(xué)法及非平衡Muller-Plathe法獲得其熱導(dǎo)率,耦合孔道受限氣體后,分析孔隙率、溫度等因素的影響。結(jié)果表明：兩種介孔材料熱導(dǎo)率均隨孔隙率增大而減小,但對(duì)溫度的響應(yīng)規(guī)律略有不同。CMK-3熱導(dǎo)率表現(xiàn)為隨溫度先增后降,MCM-41熱導(dǎo)率則是隨溫度升高持續(xù)增長(zhǎng),說明中心孔道的存在導(dǎo)致MCM-41類結(jié)構(gòu)介孔材料內(nèi)原子排列較CMK-3結(jié)構(gòu)更加無序。且CMK-3熱導(dǎo)率要高出MCM-41一個(gè)數(shù)量級(jí)�？紤]空氣熱阻后,介孔材料有效熱導(dǎo)率有顯著的下降。 最后,為探究復(fù)合體相變熱特性,建立了介孔碳-金屬微納顆粒／線(C-Al,C-Ag)、介孔二氧化硅-十七烷復(fù)合體系(SiO2-C17H36)模型,并進(jìn)行了合理的模型簡(jiǎn)化后,研究受限空間內(nèi)納米填充物相變行為異變,以及基體、納米填充體間相互作用對(duì)相變熱特性的影響,分析介孔形貌結(jié)構(gòu)、填充率以及溫度對(duì)熱特性的作用規(guī)律。研究結(jié)果指出：1)受限于空氣熱阻,C-Al復(fù)合體有效熱導(dǎo)率遠(yuǎn)低于介孔碳骨架。若能實(shí)現(xiàn)100%填充,其有效熱導(dǎo)率突增。2)C-Ag體系間的強(qiáng)作用,增強(qiáng)了納米顆粒／線的穩(wěn)定性,導(dǎo)致熔點(diǎn)升高,但對(duì)熱容、潛熱影響不顯著。相較于基體的結(jié)構(gòu)因素,仍是金屬微納體自身的尺寸效應(yīng)對(duì)熔點(diǎn)的影響更大。3)SiO2-C17H36體系間的削弱作用,則會(huì)導(dǎo)致十七烷熔點(diǎn)的降低,介孔基體的孔道尺寸增加會(huì)引起熔點(diǎn)的升高,而填充率對(duì)其影響不大。
[Abstract]:Metal nano - elements ( such as nano - particles , nano - wires , etc . ) are a kind of new micro - existence of atoms and molecules over the macroscopic block . The effects of small - scale effect , surface effect and special preparation method are studied . The molecular dynamics simulation is used to study the phase change behavior and phase change thermal properties of micro - nano metal particles / wires and the influence of agglomeration on nano - scale melting . First , the phase change process simulation is carried out for zero - dimensional metal nanoparticles and one - dimensional metal nano - wires . The phase change morphology and thermal properties of low - dimensional metal materials are obtained , and the effects of size effect on melting point , specific heat and latent heat are discussed . In order to verify the simulation results , the experimental characterization and thermal tests of silver nanoparticle solution and aggregate powder were carried out . The phase structure , morphology , size and melting point were obtained . The thermal conductivity of mesoporous carbon CMK - 3 and mesoporous silica MCM - 41 have been studied . The results show that the thermal conductivity of MCM - 41 decreases with the increase of porosity . The results show that the thermal conductivity of MCM - 41 decreases with the increase of porosity . The thermal conductivity of CMK - 3 is more disordered with the increase of temperature . The thermal conductivity of CMK - 3 is one of the order of magnitude higher than that of MCM - 41 . The results show that the effective thermal conductivity of C - Al composites is much lower than that of meso - porous carbon skeleton .

【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TB383.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1516801