纳米颗粒堆积床热物理性质研究

发布时间：2020-04-22 01:01

【摘要】：作为一种典型的纳米材料,纳米颗粒在绝热材料制备,热-电和光-电转换领域具有诸多广泛的应用。研究纳米颗粒热物理性质对于解决实际应用中的问题与挑战和探索新物理现象与规律具有重要的意义。本文采用理论模型结合实验测量的方法,对纳米颗粒及纳米颗粒堆积床(NPB)的比热及热导率进行了系统的研究,以期明晰纳米颗粒及NPB微观结构与其热物理性质之间的构效关系。关于纳米颗粒比热具有显著的尺寸效应已形成广泛共识。但仍存在三个典型问题:(1)已有研究往往就纳米流体的比热容进行了系统的研究,尚未对纳米颗粒的比热容进行深入的研究;(2)已有研究主要采用实验方法对纳米尺度材料的比热进行测试,但鲜有理论模型对纳米材料比热进行有效的预测;(3)已有研究均在理想条件下进行,并未考虑表面吸附,压强及界面等因素对纳米颗粒比热的影响。在本文中,基于连续性介质假说和Lindemann判据建立了纳米颗粒,空心纳米颗粒及壳/核纳米颗粒的比热模型,并采用差示扫描量热法(DSC法)验证了本文中提出比热模型的正确性。采用未通保护气氛的DSC方法研究了表面吸附水,表面氧化等因素对纳米颗粒比热的影响。此外,还研究了压强,孔隙率和界面结构对纳米颗粒比热的影响。关于纳米颗粒堆积床(NPB)热导率的研究已经开展很多,仍有以下典型的问题存在争议尚未解决:(1)由于未考虑纳米颗粒界面受压形变等因素,已有多孔材料固相热导率模型并不能与NPB固相热导率拟合较好;(2)已有研究主要针对NPB内部气-固耦合热导率,但关于NPB热导率与其内部纳米颗粒间的构效关系并未深入研究;(3)已有研究在强磁场条件下实现电子和声子热导率的分离,操作复杂且对实验条件要求较高,尚未形成简单且可靠的电子和声子热导率分离的方法。在本文中,首先,建立了大孔隙NPB(孔隙率≥90%)的有效热导率模型,并进行实验验证。其次,基于界面弹性模量理论,提出中小孔隙率(孔隙率≤90%)NPB的纳米颗粒间接触面面积随孔隙率变化的预测模型,并在此基础之上发展了适用于NPB(孔隙率≤90%)的固相热导率模型,受限气体热导率模型及辐射热导率模型,并采用实验的方法对模型进行了验证。再次,基于索末菲电子气理论建立了室温下的电子热导率和声子热导率的分离模型,并发现了Wiedemann-Franz定律失效的特例;最后,研究了孔隙率,压强,真空烧结及第二相纳米颗粒掺杂等因素对NPB热导率的影响,形成了调控NPB热导率的有效方法。此外,还对其热电性能及机械性能进行了基础的表征。
【图文】：

纳米多孔氧化铝,颗粒床,碳纳米管,非均质

1 绪论多孔材料通常由纳米颗粒堆积或烧结而成，在孔隙率上不料（比如二氧化硅气凝胶）那么高，，纳米颗粒之间的孔隙米颗粒间纳米级的接触界面可大量反射声子，使得非均质极低的导热系数。对于非均质纳米多孔材料的导热系数研，一是纳米颗粒之间真实接触热阻的研究；二是接触热阻构导热模型的建立，综合二者可得到非均质纳米多孔材料

示意图,差式扫描量热,热流,参比物

作为测温热电偶结点的一部分。传输到试样和参比物台下的镍铬板和康桶盘结点构成热电偶进行监测，示式 DSC 主要特点是试样与参比物分别具有独立的由两个控制系统就进行监控，其中一个控制温度，使下降温；另一个用于补偿试样和参比物之间产生的温参比物的温度保持相同，则热流率可从功率直接计 = = ，补偿的功率，为试样的热量，为参比物的热量，，即热流率。对于功率补偿式 DSC 要求试样和参比放热都要处于动态平衡状态，并通过功率补偿使二式 DSC 与 DTA 最本质的区别。而对于热流式 DSC试样和参比物间热流量参与正比，因此其实质还是.
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1

【参考文献】