金属纳米基元及其复合体的相变热特性

发布时间：2018-02-17 00:35

本文关键词： 纳米基元介孔材料相变微尺度效应热特性　出处：《北京科技大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：金属纳米基元(如纳米颗粒、纳米线等),是由原子、分子过度到宏观块材的一类新的微观存在。小尺度效应、表面效应以及特殊制备方法形成的特殊结构,使其热物理行为和热物理性质相对于体材料表现出特异性。本文主要采用分子动力学模拟,研究了微纳金属颗粒/线的相变行为及相变热特性,以及团聚对纳米尺度熔化的影响。进一步选择典型的介孔基材开展传热特性的研究。最后考虑复合体的相变热特性,尤其是基材的引入对纳米填充物相变行为的影响。首先,针对零维金属纳米颗粒、一维金属纳米线,进行了相变过程的模拟,获得了低维金属材料的相变形态及热特性,并重点探讨了尺寸效应对其熔凝点、比热、潜热的影响。研究表明：低维金属材料的相变点远低于块体材料,且有强烈的尺寸依赖性；纳米材料比热要略高于块材,随尺寸增大而变小；摩尔相变潜热随粒径增加有上升的趋势。此外,观察到纳米材料熔化行为的异常,如,凝固点远滞后于熔点、小尺寸金属纳米颗粒由于几何体的重构导致熔点出现无规则变化、超细纳米线熔化过程中会出现断裂或是成团。考虑到团聚是纳米材料使用过程中无法避免的现象,重构了颗粒团聚体模型,结果表明,团聚的出现大幅度降低了熔点的尺度效应,小颗粒团聚后易形成整体,导致熔点高于大颗粒团聚体。团聚引起固态比热尺度效应的淡化,却加剧了液态比热尺度效应,同时导致了摩尔潜热的提升。为了验证模拟结果,接下来开展了银纳米单颗粒溶液、团聚体粉末的实验表征和热测试,获得其物相结构、形貌、尺寸及熔点。引入修正因子对单颗粒模拟结果的拟合公式进行了修正。而纳米粉末的熔点测试值也进一步说明考虑团聚的模拟结果能更好的进行预测。其次,研究典型有序介孔基材的传热特性。以介孔碳CMK-3及介孔二氧化硅MCM-41为代表,构建无定形结构模型并进行结构验证。分别采用平衡分子动力学法及非平衡Muller-Plathe法获得其热导率,耦合孔道受限气体后,分析孔隙率、温度等因素的影响。结果表明：两种介孔材料热导率均随孔隙率增大而减小,但对温度的响应规律略有不同。CMK-3热导率表现为随温度先增后降,MCM-41热导率则是随温度升高持续增长,说明中心孔道的存在导致MCM-41类结构介孔材料内原子排列较CMK-3结构更加无序。且CMK-3热导率要高出MCM-41一个数量级。考虑空气热阻后,介孔材料有效热导率有显著的下降。最后,为探究复合体相变热特性,建立了介孔碳-金属微纳颗粒／线(C-Al,C-Ag)、介孔二氧化硅-十七烷复合体系(SiO2-C17H36)模型,并进行了合理的模型简化后,研究受限空间内纳米填充物相变行为异变,以及基体、纳米填充体间相互作用对相变热特性的影响,分析介孔形貌结构、填充率以及温度对热特性的作用规律。研究结果指出：1)受限于空气热阻,C-Al复合体有效热导率远低于介孔碳骨架。若能实现100%填充,其有效热导率突增。2)C-Ag体系间的强作用,增强了纳米颗粒／线的稳定性,导致熔点升高,但对热容、潜热影响不显著。相较于基体的结构因素,仍是金属微纳体自身的尺寸效应对熔点的影响更大。3)SiO2-C17H36体系间的削弱作用,则会导致十七烷熔点的降低,介孔基体的孔道尺寸增加会引起熔点的升高,而填充率对其影响不大。
[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 .

【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1

【参考文献】