[发明专利]一种介孔异质复合材料热物性的计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料性能研究领域，具体的说是一种介孔异质复合材料热物性的计算方法。

背景技术

纳米材料是一种新型的材料，它具有广阔的应用前景。“纳米材料工程”是21世纪新材料研究和应用的“制高点”。近年来，纳米领域诞生了一种全新的研究对象——“介孔复合材料”，它是最具希望的发展方向之一，是纳米材料工程的重要组成部分。

介孔异质复合材料作为近年来诞生的一种全新纳米材料，由于具有特殊的微/纳结构，其热学性能受如体积效应、量子尺寸效应、表面效应、量子隧道效应、介电限域效应、光子隧道效应等的影响较大，因此必然会表现出非同寻常的热学特性。在纳米尺度下，由于分散相的异相/异质特性，会引起纳米颗粒/团簇/纳米线键合特性或晶格点阵的变化，形成微观局部非均相/非均质，并可引起载热子激发方式等的变化；分散相纳米颗粒/团簇/纳米线的体积效应、表面效应、宏观量子隧道效应等必然涉及到声子或电子运动，不同形貌、不同性质纳米颗粒/团簇/纳米线载热子的运动特性及由此引发的输运效应极为引人关注；同时，纳米颗粒/团簇/纳米线的表面改性，基材与纳米颗粒/团簇/纳米线复合，有可能引发崭新传递现象和机制，且其对界面散射和波动性的影响也是非常具有挑战性的。由于介孔固体选择的多样性及异相/异质纳米颗粒/团簇/纳米线的特异性能，人们有望很快制备出具有良好化学和热稳定性的能源型介孔异质纳米复合材料，它们既可是刚性的，又可是软材料，且会具有超高导热或超级绝热等极限热特性或其它奇妙性能。

由此，利用纳米尺度下存在的各种微尺度效应，制备出具有特殊性能的新型纳米材料，并对该材料的热导率进行理论分析和实验验证，从而对具有高导热/绝热的介孔复合材料进行指导，达到对介孔复合材料进行热设计，制备出具有高导热/绝热的介孔复合材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种介孔异质复合材料热物性的控制方法，为纳米孔隙条件下复合材料提供热物理性能参数的计算方法，提高了得到热物性的准确度，。

为了实现上述目的，本发明设计了一种介孔异质复合材料热物性的计算方法，按照以下步骤进行：

(a)样品表征：对复合材料的形貌、结构、组成、含量进行表征；

(b)测试热物性：对复合材料进行热物性测试，测量出样品的热导率、热扩散率、比热值；

(c)理论计算热物性：采用动力学理论，结合分子动力学模拟，分别提炼介孔异质复合材料基材和填充物的热导率，并考虑其间存在的近场辐射、界面散射以及基材与填充物相耦合的作用，得到复合材料的有效热导率；

(d)验证：结合实验结果，完善纳米孔隙尺度下介孔异质复合材料传热的相应数理模型。

所述步骤(a)中，通过高分辨透射电镜、扫描电镜、X射线衍射（小角、广角）、氮气吸附、X射线光电子能谱等手段对复合材料的形貌、结构、组成、含量等性能进行了表征。

所述步骤(b)中，针对介孔异质复合粉体压片材料、粉体材料分别建立了测试介孔复合材料热物性的基准热量计法、热线法、双流计法、纳秒激光闪光法等实验装置，展开实验测试，探讨了复合材料微观结构对热物性的影响，为后续理论模型的验证、修正及优化材料设计奠定了一定基础。

所述步骤(c)中，分别建立了介孔复合材料基材（有序介孔二氧化硅）、受限孔道内填充物（气体、纳米线、纳米团簇）和异质复合材料（组装纳米线的Cu/MCM-41、组装纳米团簇的Al/MCM-41）的微观结构单元及相应的传热数理模型；

使用分子动力学、动力学理论、Callaway热导率模型等方法,分析了介孔基材热导率与材料微观结构之间的关系，探索纳米尺度传热机理；

同时，使用分子动力学、动力学理论和玻尔兹曼输运方程等方法，计算了填充物纳米线、纳米团簇的电子和声子热导率，并分析了纳米线、纳米团簇的尺寸效应和界面效应；

对复合材料内的近场辐射展开研究，包括介孔壁面间、纳米线间、团簇间存在的近场辐射，进一步完善介孔复合材料热导率的微观理论模型；并对复合材料内存在的界面散射展开研究，包括声子输运、电子输运的界面散射，计算结果用于修正介孔基材、填充物纳米线等的热导率；

理论描述介孔复合材料内的热传递规律，探索组装单元体中的不同传热方式、近场辐射、界面散射及其介孔基材与填充物的耦合关系，建立了介孔异质复合材料的有效热导率模型。