納米溶膠及微米線-薄膜熱物理特性的理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、本文對(duì)納米溶膠粘度的影響因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并利用分子動(dòng)力學(xué)模擬深入分析了溶膠內(nèi)部應(yīng)力波以及固液原子間的相互作用勢能對(duì)納米溶膠粘度的影響機(jī)理；同時(shí)，獨(dú)創(chuàng)性的發(fā)展了測量微/納米線、薄膜材料熱物性的實(shí)驗(yàn)方法。 實(shí)驗(yàn)測量了SiO2，CuO，Al2O3等納米顆粒形成的溶膠系統(tǒng)的粘度。低顆粒體積濃度下，納米溶膠粘度與體積濃度和顆粒粒徑關(guān)系的研究表明，納米溶膠的粘度與顆粒體積濃度基本成線性關(guān)系，同時(shí)納米溶膠的粘度非常明顯的依賴于納米顆粒粒徑

2、，粒徑越小，溶膠粘度的增加越大，尤其對(duì)于7nm的SiO2溶膠，在2％的體積濃度時(shí)，其粘度相對(duì)基液提高120％。根據(jù)溫度對(duì)納米溶膠粘度的實(shí)驗(yàn)研究表明，納米顆粒粒徑對(duì)溶膠粘度的溫度特性也沒有明顯的影響。 對(duì)溶膠的pH值及其與顆粒粒徑關(guān)系的研究表明，納米粉體的添加使溶膠趨于堿性。這可能是在粉體制備過程中帶入了堿性硅烷醇基團(tuán)(Si-OH)的原因。同時(shí)，粒徑約大，其溶膠越趨向于堿性環(huán)境。對(duì)納米溶膠粘度與pH值關(guān)系的研究表明，隨著pH值向酸

3、性環(huán)境的調(diào)節(jié)，顆粒表面的堿性基團(tuán)不斷被中和，顆粒的表面電勢下降，顆粒之間的排斥力變?nèi)?，團(tuán)聚體形狀更趨于球形，并導(dǎo)致粘度趨于一固定值；同時(shí)，pH值對(duì)溶膠粘度的調(diào)節(jié)受顆粒粒徑的影響也較大，當(dāng)顆粒較小時(shí)，pH值的調(diào)節(jié)會(huì)在某個(gè)范圍內(nèi)快速的改變?nèi)苣z粘度；同時(shí)，通過pH值的調(diào)節(jié)，可以使納米溶膠的粘度升高或降低，甚至在某些pH值處不同濃度的溶膠具有近似的粘度值，這些特性提高了納米溶膠在實(shí)際應(yīng)用中的靈活性和多樣性。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)值分析表明，在相

4、同體積濃度下，隨著顆粒粒徑的減小，顆粒數(shù)目也越多，顆粒之間的距離也越小，較強(qiáng)的靜電斥力使得顆粒團(tuán)聚體趨于鏈狀結(jié)構(gòu)，從而使得溶膠粘度迅速增大；同時(shí)，由于顆粒粒徑越小，其越易于形成團(tuán)聚體，因而粒徑較小的顆粒形成的團(tuán)聚體內(nèi)也含有更多的單個(gè)顆粒。當(dāng)顆粒粒徑比較大時(shí)(大于100nm)，團(tuán)聚體的長徑比趨于1，這意味在靜電斥力變?nèi)酰嗟那蛐螆F(tuán)聚體形成；在這同時(shí)，本征粘度也趨于2.5。 利用分形理論，并結(jié)合SiO2納米溶膠的實(shí)驗(yàn)研究得知，團(tuán)聚

5、體的分形維數(shù)分布在2-2.4之間；同時(shí)，微觀結(jié)構(gòu)分析表明，顆粒團(tuán)聚體的三維分形維數(shù)是大于二維分形維數(shù)的。另外一個(gè)有趣的現(xiàn)象就是顆粒的分形維數(shù)與顆粒粒徑存在一定的關(guān)系：在低濃度段(＜0.005)，顆粒粒徑越大，分形維數(shù)越大；在稍高濃度段，7nm顆粒的團(tuán)聚體分形維數(shù)會(huì)隨著濃度的升高而增大，甚至超過20nm顆粒團(tuán)聚體的分形維數(shù)。 利用分子動(dòng)力學(xué)構(gòu)造了含有納米顆粒的固液兩相系統(tǒng)；并構(gòu)建了可調(diào)節(jié)的固體材料；在穩(wěn)定的溫度(143.4K)和壓

6、強(qiáng)(1.5～1.6×108Pa)下，對(duì)納米溶膠系統(tǒng)的粘度進(jìn)行了全面的研究；首次發(fā)現(xiàn)納米溶膠系統(tǒng)的應(yīng)力張量自關(guān)聯(lián)函數(shù)(PTACF)存在著強(qiáng)烈的周期振蕩；通過機(jī)理分析驗(yàn)證了由于固液界面聲學(xué)不匹配而造成應(yīng)力波散射，并進(jìn)而形成振蕩的觀點(diǎn)；由于應(yīng)力波在顆粒中的傳播速度較大，因而顆粒密度的減小會(huì)提高聲學(xué)匹配系數(shù)，從而在固液界面處形成更佳的聲學(xué)匹配；聲學(xué)不匹配的消除，可以減少應(yīng)力波在固液界面的反射或散射，并進(jìn)而降低了應(yīng)力張量自關(guān)聯(lián)函數(shù)的振蕩。

7、 首次獲得了應(yīng)力波在納米溶膠系統(tǒng)中的傳遞細(xì)節(jié)；通過顆粒密度對(duì)應(yīng)力張量自關(guān)聯(lián)函數(shù)以及速度自關(guān)聯(lián)函數(shù)的影響研究發(fā)現(xiàn)：粒徑較小或密度較小的顆粒由于布朗運(yùn)動(dòng)的加劇，會(huì)導(dǎo)致固液界面物理位置振蕩的加劇，并直接影響應(yīng)力波的在界面的反射或散射，從而使得應(yīng)力波振蕩的頻率增加；同時(shí)，當(dāng)應(yīng)力波的波長與顆粒粒徑相當(dāng)時(shí)，應(yīng)力波在顆粒表面發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，此時(shí)盡管聲學(xué)匹配系數(shù)沒發(fā)生變化，但更多的能量以“前向散射”的形式傳播，“背向散射”也因而減弱，也會(huì)造成應(yīng)力張

8、量自關(guān)聯(lián)函數(shù)振蕩減弱的表面現(xiàn)象。同時(shí)，進(jìn)一步的合理預(yù)測，當(dāng)顆粒粒徑繼續(xù)減小，比如和分子大小相當(dāng)時(shí)，在固液界面更多的應(yīng)力波以衍射的方式傳播，溶膠的PTACF曲線將不會(huì)出現(xiàn)振蕩。 納米溶膠粘度值與顆粒體積濃度、顆粒粒徑等關(guān)系的分子動(dòng)力學(xué)研究表明，納米溶膠的粘度與顆粒體積濃度基本呈線性關(guān)系，但同時(shí)，溶膠系統(tǒng)的相對(duì)粘度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出理論公式預(yù)測，并且粘度受納米顆粒粒徑的影響非常大：在相同體積濃度下，隨著粒徑的增大，納米溶膠粘度基本呈線性關(guān)系增

9、大。 成功引入了一種對(duì)固液兩相系統(tǒng)的勢能函數(shù)進(jìn)行拆分分析的方法；通過對(duì)納米溶膠原子間勢能關(guān)系的分解情況可知，在固液兩相系統(tǒng)中，液體原子之間的相互作用會(huì)受到納米顆粒能量場的影響，因而隨著顆粒粒徑的減小，顆粒之間距離的減小會(huì)提高原子間勢能關(guān)系對(duì)粘度的貢獻(xiàn)；而同時(shí)，應(yīng)力波衍射的現(xiàn)象又可以緩解這種能量場扭曲的影響，在兩種相反作用效果的因素共同制衡下，導(dǎo)致了當(dāng)納米溶膠中的顆粒較小時(shí)，原子間勢能關(guān)系對(duì)粘度的貢獻(xiàn)在總的趨勢上是隨著粒徑增大而增

10、大的(衍射影響變小，能量場扭曲的影響相對(duì)加劇)，并且原子間勢能關(guān)系對(duì)粘度的貢獻(xiàn)開始會(huì)小于純液體，其后慢慢增加，甚至大于純液體時(shí)的粘度。同時(shí)，隨著顆粒粒徑的增大，納米顆粒表面原子數(shù)所占百分比迅速減小，此時(shí)固體原子之間可以相互作用的“對(duì)數(shù)”也將迅速增大。因而，即便在同樣體積濃度下，固體原子間勢能關(guān)系對(duì)粘度的貢獻(xiàn)將隨著粒徑的增大而迅速增大。 利用徑向分布函數(shù)，對(duì)固液界面液體層的結(jié)構(gòu)特征研究表明，對(duì)非極性原子系統(tǒng)，即使在很小粒徑的情況下

11、(顆粒間距離也很小)，并沒有觀察到固液界面有序結(jié)構(gòu)的液體層；對(duì)極性分子—水分子在電場下的分子動(dòng)力學(xué)模擬表明，在固液界面處，水分子已經(jīng)開始出現(xiàn)類似晶體的結(jié)構(gòu)特征，并且隨著外部電場電荷密度的增大，該趨勢增大。 利用統(tǒng)計(jì)物理理論，成功構(gòu)建了顆粒之間的電勢能這種長程作用關(guān)系對(duì)溶膠粘度的影響模型。對(duì)于球形顆粒，其表面電荷對(duì)電粘度的貢獻(xiàn)與粒徑關(guān)系的研究表明，在顆粒表面電荷不變的情況下，溶膠的電粘度隨著粒徑的減小而迅速增大；同時(shí)，在同樣的粒徑

12、下，電粘度也會(huì)隨著顆粒體積濃度升高而升高；另外，電粘度對(duì)系統(tǒng)總粘度的貢獻(xiàn)非常小，基本可忽略不計(jì)。對(duì)于圓柱形顆粒，其表面電荷對(duì)電粘度的貢獻(xiàn)與顆粒形狀關(guān)系的研究表明，其電粘度對(duì)總體粘度的貢獻(xiàn)并不大，只有千分之一的量級(jí)；同時(shí)，隨著軸徑比的增大，在軸徑比較小時(shí)，電粘度有略微升高，然后隨著軸徑比的增大而減小，并趨于穩(wěn)定。 利用分子動(dòng)力學(xué)，對(duì)納米顆粒在液體中的自擴(kuò)散系數(shù)與粒徑關(guān)系的研究表明，顆粒的自擴(kuò)散系數(shù)基本和粒徑成反比；同時(shí)，計(jì)算的結(jié)果

13、比Stokes-Einstein公式預(yù)測值低6個(gè)數(shù)量級(jí)。 利用激光加熱結(jié)合電信號(hào)感應(yīng)溫度變化的原理，發(fā)展了瞬態(tài)光-電-熱(TransientPhoto-electro-thermal，TPET)測量技術(shù)，該技術(shù)可應(yīng)用于測量導(dǎo)電或非導(dǎo)電的微米/納米細(xì)絲，利用該技術(shù)對(duì)鉑絲，碳納米管束以及聚合物纖維絲的熱擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行了測量。 利用光熱方法首次系統(tǒng)測量了具有不同ZrO2摩爾濃度的有機(jī)(PMMA)-無機(jī)(SiO2，ZrO2)復(fù)合薄