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二维过渡金属硫化物的热输运特性研究

二维过渡金属硫化物的热输运特性研究

作者：钟建斌北京石油化工学院

学位级别：硕士

5G通讯、物联网、云计算和大数据的高速发展,使得微电子器件的集成度越来越高,有逐渐超出摩尔定律预测的趋势。为了维持电子器件的正常工作,亟待寻找传统散热材料的替代者。同时,在世界能源短缺的背景下,人类迫切需要开发新的节能技术,... 详细信息

5G通讯、物联网、云计算和大数据的高速发展,使得微电子器件的集成度越来越高,有逐渐超出摩尔定律预测的趋势。为了维持电子器件的正常工作,亟待寻找传统散热材料的替代者。同时,在世界能源短缺的背景下,人类迫切需要开发新的节能技术,研究人员已经将目光对准了极具商业应用潜力的热电材料。二维层状过渡金属硫化物作为性能优异的类石墨烯材料,其独特的热物理性质使其可在微电子器件散热和热电领域得到应用。因此,研究二维过渡金属硫化物的热输运特性具有重要的意义。本文利用基于密度泛函理论的第一性原理方法和玻尔兹曼输运理论,以典型二维过渡金属硫化物为研究对象,深入研究了单层Mo S、单层Sn S、单层Sn Se和双层Sn S/Sn Se异质结的热输运特性以及单层双面材料Sn SSe的热电输运性质,深度剖析了声子的热输运原理和调控机制,探究预测了单层Sn SSe的热电性能,为纳米电子器件及热电材料的开发设计、应用及性能预测提供理论借鉴和参考。本文主要研究工作如下:(1)研究了单层Mo S的热输运特性。计算了单层Mo S的声子群速度、声子驰豫时间和格林艾森参数,得到300 K时其晶格热导率为101.5 W/(m·K);计算了晶格热导率随温度、频率和声子平均自由程之间的变化关系,分析了单层Mo S的不同声子支对热导率的影响,发现其声学支声子对晶格热导率的影响大于光学支的影响。研究发现单层Mo S的散热能力和传统硅基材料相近,如果对其热导率进行有效调制,单层Mo S将有望得到商业应用。(2)研究了单层Sn S、单层Sn Se和双层Sn S/Sn Se异质结的热输运特性。计算了三者的声子色散关系、声子群速度、声子弛豫时间和300 K时的晶格热导率(分别为18.82 W/(m·K)、6.05 W/(m·K)和9.16 W/(m·K))。通过对比三者的声子色散曲线,发现异质结的声学声子支和光学声子支发生了一定程度的耦合,进而造成两种声子间的散射,抑制了声子的热输运。因此,构建层间异质结是一种调制二维过渡金属硫化物热输运特性的有效手段,可为相关热电器件的开发设计及应用提供理论指导。(3)研究了单层Sn SSe双面材料的热电输运性质。计算得到其在300 K时晶格热导率为23.6 W/(m·K),同时基于GGA+HSE06杂化泛函,计算了单层Sn SSe的带隙为1.59 e V,得到了包括电导率、塞贝克系数和功率因子在内的电子输运系数,提出通过对材料施加应变来调制材料的热电性能。计算得到p型掺杂的单层Sn SSe在700 K时的最佳ZT值为1.66,体现出单层Sn SSe在热电领域的应用潜力。

关键词：过渡金属硫化物第一性原理计算声子热输运特性

介孔材料界面效应对混合硝酸盐复合相变材料热输运特性的影响

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复合材料学报 2024年第1期41卷 448-466页

作者：闫晨宣杨启容李昭莹马爽毛蕊贲昊玺青岛大学机电工程学院青岛266071 青岛大学生物多糖纤维成形与生态纺织国家重点实验室青岛266071 中国科学院青岛生物能源与过程研究所青岛266101

随着化石燃料的快速消耗,能源安全、气候变化问题日益突出,清洁、可持续能源发展技术及储能技术的研究成为热点。本文采用分子动力学模拟和实验研究相结合的方式,展开界面效应对混合硝酸盐复合相变材料(CPCM)热输运特性的影响研究。首... 详细信息

随着化石燃料的快速消耗,能源安全、气候变化问题日益突出,清洁、可持续能源发展技术及储能技术的研究成为热点。本文采用分子动力学模拟和实验研究相结合的方式,展开界面效应对混合硝酸盐复合相变材料(CPCM)热输运特性的影响研究。首先分别采用激光导热仪和差示扫描量热仪测试了CPCM的热导率和比热容。然后使用Materials Studio软件建立共晶状态下不同NaNO_(3)和KNO_(3)配比、不同骨架的CPCM模型,对其热导率和定压比热进行分子动力学模拟计算,通过径向分布函数、界面结合能和体热膨胀系数的变化分析了实验结果的内在机制,进而深入分析了界面效应与混合硝酸盐配比对热物性影响的竞争关系。结果表明:NaNO_(3)与KNO_(3)质量比为4∶6时离子间相互作用弱于其他配比,界面结合能最大,热导率最大。界面结合能的增加对热导率的增强强于离子间相互作用的减弱对热导率的削弱,界面效应在CPCM热导率的变化中占主导地位;CPCM定压比热受离子对比例变化及骨架材料变化的影响,界面结合能及离子间相互作用对定压比热没有明显影响。

关键词：介孔界面效应离子间相互作用热输运特性竞争关系混合硝酸盐复合相变材料

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类石墨烯碳基二维材料热输运特性的调控

类石墨烯碳基二维材料热输运特性的调控

作者：杨博文山东大学

学位级别：硕士

二维材料在电、光等多个领域均具有极为优异的物理特性,近年来吸引了研究人员的广泛关注。对二维材料器件的性能而言,材料的热学特性具有不可忽视的作用。因此,热学性能是当下对二维材料的研究热点。通过分析并掌握不同条件对材料热学... 详细信息

二维材料在电、光等多个领域均具有极为优异的物理特性,近年来吸引了研究人员的广泛关注。对二维材料器件的性能而言,材料的热学特性具有不可忽视的作用。因此,热学性能是当下对二维材料的研究热点。通过分析并掌握不同条件对材料热学性能的影响规律,揭示二维材料的传热机理,提高材料及器件的性能,对拓展二维材料机理认识和拓宽二维材料应用领域具有重要意义。本文基于非平衡分子动力学方法,分别研究了随机掺杂、超晶格及局部应变对类石墨烯碳基二维材料热输运特性的调控效果;探究了随机掺杂比、超晶格周期长度及纳米压头压入深度等参数对二维材料的热导率影响规律;通过对调控后系统进行声子行为分析,揭示了不同调控方法对材料热学性能的作用机理。本文主要研究内容及结论如下:1.探究了随机掺杂对二维材料热导率的影响机理。研究发现随机掺杂的材料热导率随掺杂比x增大呈现U型轮廓;当x=0.5时,材料具有最低的热导率。声子行为分析表明是由于声子-杂质散射和声子的局域化。2.分析了超晶格对二维材料热导率的影响机理。发现超晶格材料的热输运特性随其周期长度l的增大呈现先降低后增大的趋势,热导率最低的点所对应的长度为相干长度lp。当l＜lp时,因声子间的干扰系统出现相干声子模态,此时的超晶格系统可视为一种“全新的材料”;而当l＞lp时,超晶格中界面的减少降低了声子-界面散射的次数,从而使热导率回升。3.揭示了局部应变对二维材料热输运特性的影响机理。材料的热导率随金刚石纳米压头的深入逐渐降低,当压入深度超过断裂点,材料将被破坏,其热导率将回升至一个低于材料本身热导率的值。声子行为分析显示,板材热导率的降低是由发生在应变作用点的超强声子散射、微小的不均匀应变产生的声子散射以及板材整体应变产生的声子软化共同作用导致的。通过对二维材料进行机械性质分析发现,导致纳米压头穿透板材的原因在于局部作用点所受应力达到极限以及板材本身的波动传递。

关键词：类石墨烯碳基二维材料声子散射热输运特性分子动力学

基于第一性原理的单层WS_(2)热输运特性研究

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人工晶体学报 2023年第2期52卷 289-297页

作者：关斌刘远超张厚梁钟建斌邵钶蒋旭浩徐一帆北京石油化工学院机械工程学院北京102617

二维WS_(2)是一种层状过渡金属硫化物,因其具有特殊的层状结构、可调带隙及稳定的物理化学性质而备受关注。结合玻尔兹曼输运方程(BTE)和密度泛函理论(DFT),利用第一性原理研究了单层WS_(2)声子的输运特性,分析了声子的谐性效应和非谐... 详细信息

二维WS_(2)是一种层状过渡金属硫化物,因其具有特殊的层状结构、可调带隙及稳定的物理化学性质而备受关注。结合玻尔兹曼输运方程(BTE)和密度泛函理论(DFT),利用第一性原理研究了单层WS_(2)声子的输运特性,分析了声子的谐性效应和非谐性效应对WS_(2)晶格热导率的影响机理,计算了其声子的临界平均自由程,提出通过调整阻断频率的方法来调控WS_(2)的晶格热导率。研究结果表明:单层WS_(2)在300 K时的本征晶格热导率为149.12 W/(m·K),且随温度的升高而降低;从各声子支对总热导率的贡献来看,声学声子支起主要作用,特别是纵向声学(longitudinal acoustic, LA)声子支对单层WS_(2)热导率的贡献百分比最大(44.28%);单层WS_(2)声学声子支和光学声子支之间的较大带隙(声光学声子支之间无散射)导致其具有较高的晶格热导率。本文研究可为基于单层WS_(2)纳米电子器件的设计和改进提供借鉴和理论指导。

关键词： WS_(2) 层状过渡金属硫化物声子热输运特性第一性原理谐性效应晶格热导率

介孔尺度、结构及界面对太阳盐热输运和熔化特性的影响

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介孔尺度、结构及界面对太阳盐热输运和熔化特性的影响

作者：何卓亚青岛大学

学位级别：硕士

在众多相变材料中,硝酸盐因热稳定性良好且成本较低在集中式太阳能发电(CSP)系统中得到了广泛的应用。工业上大多应用太阳盐(60wt%硝酸钠-40wt%硝酸钾)。太阳盐的熔点为493K左右,潜热在139.32 k J/kg左右。但是硝酸盐存在着过冷、液相... 详细信息

在众多相变材料中,硝酸盐因热稳定性良好且成本较低在集中式太阳能发电(CSP)系统中得到了广泛的应用。工业上大多应用太阳盐(60wt%硝酸钠-40wt%硝酸钾)。太阳盐的熔点为493K左右,潜热在139.32 k J/kg左右。但是硝酸盐存在着过冷、液相泄漏、导热率低等一系列问题。为了解决这些问题,科研工作者们采用添加纳米颗粒、微胶囊封装、多孔骨架材料吸附等方法制备复合相变储能材料。近几年来,多孔复合相变储能材料的研究主要集中在多孔骨架材料的精选和优化上,多孔材料呈现出孔径尺寸越来越小、孔道结构越来越有序、比表面积越来越大的趋势。由于骨架材料的特殊介孔结构,小尺寸(纳米限域下)物质会表现出与宏观尺度不同的热力学现象,因此多孔骨架基体的孔径、孔结构和孔界面对相变材料的熔化特性存在一定的影响。本文采用分子动力学模拟和实验研究相结合的方式,探究尺度效应、结构效应、界面效应对太阳盐热输运特性和熔化特性的影响。利用Material Studio软件建立不同尺度、两种结构的太阳盐模型和太阳盐/不同组成的多孔铝硅酸盐陶瓷复合相变材料模型,使用Forcite、VAMP等模块,通过径向分布函数、相互作用能等分析手段对模型的体热膨胀系数、导热率、比热容等热物性参数进行分析,并采用差式扫描量热仪和激光导热率分析仪进行实验对比。模拟和实验结果表明:随着温度的升高,太阳盐的体热膨胀系数逐渐减小;随着介孔尺度的增大,太阳盐的体热膨胀系数逐渐减小;与纳米孔内圆球形结构太阳盐相比,相同离子数下纳米柱太阳盐的体热膨胀系数更小。随着介孔尺度的增大,太阳盐的导热率越大;多孔骨架结构的改变影响复合相变材料的导热率;随着骨架AlO比例的增大,复合相变材料的导热率逐渐增高,说明AlO对导热率的提高起积极和主要作用。太阳盐复合相变材料的定压比热容随介孔尺度的增大而升高,随骨架中AlO含量的增加而逐渐增大,且骨架结构的变化对复合相变材料的比热容产生一定的影响。采用Material Studio和LAMMPS软件、差式扫描量热仪对不同尺度、两种结构的太阳盐模型和不同骨架界面的太阳盐复合相变材料模型进行熔点和相变潜热的分析。模拟和实验结果表明:随着尺度的增大,太阳盐的熔点呈现先增大后减小的趋势,体现了纳米尺度下太阳盐熔化特性的尺度效应,由此也说明骨架的孔径大小有一个最佳值;介孔结构的改变影响复合相变材料的熔点;多孔铝硅酸盐陶瓷骨架的加入降低了太阳盐的熔点,且界面结合能较大的复合相变材料的熔点相对较高。复合相变材料的相变潜热与相变材料和骨架之间的结合方式、骨架结构等有关,其相变潜热随介孔尺度的增大而减小;骨架介孔结构的变化对复合相变材料的相变潜热有一定影响;界面不同时复合相变材料的相变潜热不同。

关键词：尺度结构界面热输运特性熔化特性

基于FPMD的镁基氯化盐相变结构演化和储热特性研究

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基于FPMD的镁基氯化盐相变结构演化和储热特性研究

作者：徐婷睿内蒙古工业大学

学位级别：硕士

我国盐湖资源十分丰富,含有大量的MgCl盐、价格低廉,并且氯化盐具有高热容、高导热系数、低粘度和在高温下仍可以保持热稳性等优点因此,研究镁基氯化盐的传储热特性得到了人们的广泛关注。然而,现有的氯化盐测试方法不够完善,且存在高... 详细信息

我国盐湖资源十分丰富,含有大量的MgCl盐、价格低廉,并且氯化盐具有高热容、高导热系数、低粘度和在高温下仍可以保持热稳性等优点因此,研究镁基氯化盐的传储热特性得到了人们的广泛关注。然而,现有的氯化盐测试方法不够完善,且存在高温实验困难,氯化盐具有腐蚀性等固有问题。开发安全、精准、可靠的方法研究低成本高性能的镁基氯化盐是十分有必要的。本论文通过第一性原理分子动力学(FPMD)模拟辅以实验测量的方法对镁基氯化盐进行了研究,为开发利用高效的传储热介质体提供了一种新颖的方法,研究主要从以下几个方面进行:1)分别对镁基氯化盐(MgCl-NaCl 44:56 mol%;MgCl-KCl 32:58 mol%)共晶盐的储热特性进行了研究。通过FPMD模拟和实验相结合的方法获得了热膨胀系数、密度、熔点、熔化热和比热容等储热特性参数,结果表明模拟与实验所得结果一致性良好。利用FPMD模拟,通过热膨胀系数、体积模量和密度等预测了镁基氯化盐的相变温度区间MgCl-NaCl(693 K-728 K),MgCl-KCl(722K-770 K)。2)通过角分布函数,径向分布函数、配位数分布概率和静态结构因子等描述了镁基氯化盐的微观结构特征。通过角分布函数,发现MgCl-NaCl共晶盐中随着Cl–Mg–Cl和Mg–Cl–Mg键角的第一个和第二个峰的距离变窄,证明了多面体MgCl9))9))团簇结构的稳定形成。对MgCl-KCl盐中子散射的部分静态结构因子进行探索,在1.5(?)–2.0(?)处出现主峰,并且温度升高会使得阴阳离子之间相关性减弱。此外,对配位数概率分布与温度的关系研究中得到低温有助于高配位结构的形成,高温对低配位结构的形成有促进作用3)最后,利用FPMD模拟辅以实验测量的方法对镁基氯化盐的热输运特性,如粘度,比热容和热导率等进行了分析。结果表明MgCl-NaCl的热导率大于MgCl-KCl共晶盐但粘度也较大,结合密度,粘度,比热容和导热系数利用品质因子对MgCl-NaCl以及MgCl-KCl共晶盐的传热因子和热损失的性能因子进行了研究,对氯化盐的传蓄热能力进行综合评价。总体而言,由FPMD模拟所得传储热特性结果与可用的参考数据令人满意地吻合,表明FPMD模拟是预测熔融氯化物的结构和热力学性质的有力工具。

关键词：镁基氯化盐相变储热储热特性微观结构热输运特性