纳米材料复合熔盐比热容的预测方法研究
发布时间：2020-12-16 22:46
本文针对掺杂SiO2纳米颗粒的Li2CO3/K2CO3纳米复合熔盐,考虑纳米吸附层和表面效应的影响,完善了其比热容预测方法。首先,使用分子动力学方法获得了熔盐离子在多壁碳纳米管吸附影响下的初始密度分布,并通过求解熔盐离子在SiO2纳米颗粒作用下诱导结晶形成纳米吸附层的过程,获得了纳米吸附层的含量。然后,基于修正的德拜热容理论,考虑表面高能原子的影响,获得了SiO2纳米颗粒及纳米吸附层的比热容。最后,基于该方法对掺杂不同粒径SiO2纳米颗粒的纳米复合熔盐比热容进行了预测,并和实验值进行了对比。结果表明当SiO2纳米颗粒含量较少时,与实验值之间的误差在-0.4%3.5%之间,故该方法的预测结果具有较高的准确性。
【文章来源】：工程热物理学报. 2020年10期 北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图１?Ｌｉ２Ｃ〇３／Ｋ２Ｃ〇３复合熔盐的相图??Ｆｉｇ．?１?Ｐｈａｓｅ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?Ｌｉ２Ｃ〇３／Ｋ２Ｃ〇３?ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ?ｓａｌｔ??
２４８６??工程热物理学报??４１卷??ｗ?０?ｅｌｅｍｅｎｔ?ｆｏｒ?ＣＯ３＂??％?Ｌｉ?ｅｌｅｍｅｎｔ??？?Ｋ?ｅｌｅｍｅｎｔ??＾?Ｃ?ｅｌｅｍｅｎｔ??？?Ｓｉ?ｅｌｅｍｅｎｔ??？?０?ｅｌｅｍｅｎｔ?ｆｏｒ?Ｓｉ〇２??图２分子动力学模拟体系??Ｆｉｇ．?２?ＭＤ?ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ?ｄｏｍａｉｎ??具体的模拟方法为：首先，构建不同粒径的Ｓｉ０２??纳米颗粒，并在其表面附近均匀地分散Ｌｉ＋、Ｋ＋??和ＣＯ〗＇?以构成摩尔分数比为６２％?Ｌｉ２Ｃ０３：３８％??Ｋ２ＣＯ３的复合熔盐，模拟体系的尺寸随Ｓｉ０２纳米??颗粒的粒径变化，图２（ａ）给出了尺寸为４２．２７?ｎｍ?ｘ??４２．２７?ｎｍ?ｘ?４２．２７?１１ｍ的模拟体系，其中Ｓｉ０２纳米颗??粒的半径为５．０?ｎｍ。然后，为了防止粒子互相重叠，??在模拟前对体系进行松弛处理，经过处理后能量达??到最小化。接下来，将温度设定为８００?Ｋ，压力设定??为ｌ．ＯｌｘｌＯ５?Ｐａ，时间步长为１?ｆｓ，交替的将体系在??ＮＶＥ系综和ＮＰＴ系综中进行迭代，直到能量达到??稳定．获得溶盐中Ｌｉ＋、Ｋ＋和ＣＯ〗－随离Ｓｉ０２表面??距离的密度分布ＣＬ，〇（ｒ）．??１．１．２诱导结晶模型??纳米颗粒表面结晶过程的示意如图３所示，在??过冷度的驱动下晶体由纳米材料表面向外生长，凝??固前沿不断向外推进，其中凝固前沿半径为ｒｓ，晶体??中溶质的浓度为Ｃｓ，液态熔盐中溶质的浓度为Ｃｔ，??总控制容积的半径为Ａ。在凝固前沿推进的过程中，??液相熔盐中的各离子同时进行扩散，离子分布趋向??均匀，逐渐削弱其成分偏移现象，造成过冷度减孝??晶体生长动力逐渐
?ｎｍ?ｘ?４２．２７?１１ｍ的模拟体系，其中Ｓｉ０２纳米颗??粒的半径为５．０?ｎｍ。然后，为了防止粒子互相重叠，??在模拟前对体系进行松弛处理，经过处理后能量达??到最小化。接下来，将温度设定为８００?Ｋ，压力设定??为ｌ．ＯｌｘｌＯ５?Ｐａ，时间步长为１?ｆｓ，交替的将体系在??ＮＶＥ系综和ＮＰＴ系综中进行迭代，直到能量达到??稳定．获得溶盐中Ｌｉ＋、Ｋ＋和ＣＯ〗－随离Ｓｉ０２表面??距离的密度分布ＣＬ，〇（ｒ）．??１．１．２诱导结晶模型??纳米颗粒表面结晶过程的示意如图３所示，在??过冷度的驱动下晶体由纳米材料表面向外生长，凝??固前沿不断向外推进，其中凝固前沿半径为ｒｓ，晶体??中溶质的浓度为Ｃｓ，液态熔盐中溶质的浓度为Ｃｔ，??总控制容积的半径为Ａ。在凝固前沿推进的过程中，??液相熔盐中的各离子同时进行扩散，离子分布趋向??均匀，逐渐削弱其成分偏移现象，造成过冷度减孝??晶体生长动力逐渐衰减的作用，最终固液达到平衡，??晶体停止生长。诱导结晶模型中的关键假设如下：??１）熔盐晶体中各离子的数密度与均匀熔盐中的??离子数密度相等，即Ｌｉ＋的数密度为０．０１１２ｘ１０３Ｑ??ｍ－３；??２）熔盐固液界面处的结晶行为瞬间完成；??３）固相中离子无扩散，而液相中各离子的扩散??速率足够大，能够满足固液界面的平衡；??４）忽略结晶过程中释放的热量对系统温度的影??响，系统维持恒温；??５）忽略形成晶体中的缺陷；??６）形核率为１００％，即每个纳米颗粒表面的熔盐??成分达到形核条件时，都能够引发结晶过程。??诱导结晶模型的具体建模过程如下：获得熔盐??离子初始密度分布ＣＬ，Ｑ（ｒ）之后，计算
本文编号：2920913
【文章来源】：工程热物理学报. 2020年10期 北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图１?Ｌｉ２Ｃ〇３／Ｋ２Ｃ〇３复合熔盐的相图??Ｆｉｇ．?１?Ｐｈａｓｅ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?Ｌｉ２Ｃ〇３／Ｋ２Ｃ〇３?ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ?ｓａｌｔ??
２４８６??工程热物理学报??４１卷??ｗ?０?ｅｌｅｍｅｎｔ?ｆｏｒ?ＣＯ３＂??％?Ｌｉ?ｅｌｅｍｅｎｔ??？?Ｋ?ｅｌｅｍｅｎｔ??＾?Ｃ?ｅｌｅｍｅｎｔ??？?Ｓｉ?ｅｌｅｍｅｎｔ??？?０?ｅｌｅｍｅｎｔ?ｆｏｒ?Ｓｉ〇２??图２分子动力学模拟体系??Ｆｉｇ．?２?ＭＤ?ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ?ｄｏｍａｉｎ??具体的模拟方法为：首先，构建不同粒径的Ｓｉ０２??纳米颗粒，并在其表面附近均匀地分散Ｌｉ＋、Ｋ＋??和ＣＯ〗＇?以构成摩尔分数比为６２％?Ｌｉ２Ｃ０３：３８％??Ｋ２ＣＯ３的复合熔盐，模拟体系的尺寸随Ｓｉ０２纳米??颗粒的粒径变化，图２（ａ）给出了尺寸为４２．２７?ｎｍ?ｘ??４２．２７?ｎｍ?ｘ?４２．２７?１１ｍ的模拟体系，其中Ｓｉ０２纳米颗??粒的半径为５．０?ｎｍ。然后，为了防止粒子互相重叠，??在模拟前对体系进行松弛处理，经过处理后能量达??到最小化。接下来，将温度设定为８００?Ｋ，压力设定??为ｌ．ＯｌｘｌＯ５?Ｐａ，时间步长为１?ｆｓ，交替的将体系在??ＮＶＥ系综和ＮＰＴ系综中进行迭代，直到能量达到??稳定．获得溶盐中Ｌｉ＋、Ｋ＋和ＣＯ〗－随离Ｓｉ０２表面??距离的密度分布ＣＬ，〇（ｒ）．??１．１．２诱导结晶模型??纳米颗粒表面结晶过程的示意如图３所示，在??过冷度的驱动下晶体由纳米材料表面向外生长，凝??固前沿不断向外推进，其中凝固前沿半径为ｒｓ，晶体??中溶质的浓度为Ｃｓ，液态熔盐中溶质的浓度为Ｃｔ，??总控制容积的半径为Ａ。在凝固前沿推进的过程中，??液相熔盐中的各离子同时进行扩散，离子分布趋向??均匀，逐渐削弱其成分偏移现象，造成过冷度减孝??晶体生长动力逐渐
?ｎｍ?ｘ?４２．２７?１１ｍ的模拟体系，其中Ｓｉ０２纳米颗??粒的半径为５．０?ｎｍ。然后，为了防止粒子互相重叠，??在模拟前对体系进行松弛处理，经过处理后能量达??到最小化。接下来，将温度设定为８００?Ｋ，压力设定??为ｌ．ＯｌｘｌＯ５?Ｐａ，时间步长为１?ｆｓ，交替的将体系在??ＮＶＥ系综和ＮＰＴ系综中进行迭代，直到能量达到??稳定．获得溶盐中Ｌｉ＋、Ｋ＋和ＣＯ〗－随离Ｓｉ０２表面??距离的密度分布ＣＬ，〇（ｒ）．??１．１．２诱导结晶模型??纳米颗粒表面结晶过程的示意如图３所示，在??过冷度的驱动下晶体由纳米材料表面向外生长，凝??固前沿不断向外推进，其中凝固前沿半径为ｒｓ，晶体??中溶质的浓度为Ｃｓ，液态熔盐中溶质的浓度为Ｃｔ，??总控制容积的半径为Ａ。在凝固前沿推进的过程中，??液相熔盐中的各离子同时进行扩散，离子分布趋向??均匀，逐渐削弱其成分偏移现象，造成过冷度减孝??晶体生长动力逐渐衰减的作用，最终固液达到平衡，??晶体停止生长。诱导结晶模型中的关键假设如下：??１）熔盐晶体中各离子的数密度与均匀熔盐中的??离子数密度相等，即Ｌｉ＋的数密度为０．０１１２ｘ１０３Ｑ??ｍ－３；??２）熔盐固液界面处的结晶行为瞬间完成；??３）固相中离子无扩散，而液相中各离子的扩散??速率足够大，能够满足固液界面的平衡；??４）忽略结晶过程中释放的热量对系统温度的影??响，系统维持恒温；??５）忽略形成晶体中的缺陷；??６）形核率为１００％，即每个纳米颗粒表面的熔盐??成分达到形核条件时，都能够引发结晶过程。??诱导结晶模型的具体建模过程如下：获得熔盐??离子初始密度分布ＣＬ，Ｑ（ｒ）之后，计算
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