纳米材料热物理性能

4 、热辐射性质
将物质纳米化后，破坏了原来物质内部 固有的各种化学键，减弱了粒子间的各种 作用了，增大了组成物质的基本微观粒子 之间的平均距离，因而单位体积内粒子数 会显著地减小，能够提高热辐射的透射深 度以降低吸收系数，从而最终提高物体的 发射率与吸收率。
尺度对热辐射性质的影响
发射率与尺度的关系
2 、热膨胀系数
纳米材料的热膨胀系数都大于同类粗晶 材料和非晶体材料的值，这是由于界面原 子排列较为混乱、原子密度低、界面原子 耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、 纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有 其广泛的应用前景。例如：晶粒尺寸为8nm 其广泛的应用前景。例如：晶粒尺寸为8nm 的纳米铜的自扩散系数比普通铜大1019倍。 的纳米铜的自扩散系数比普通铜大1019倍。
纳米材料热物理性能研究
纳米材料热物理性能研究
前言 一、纳米材料发展的历史 二、纳米材料的热物理性能及其研究 结语
前言
纳米材料是纳米科技发展的重要基础，也是 纳米材料最为重要的研究对象。 纳米材料是一种具有全新结构的材料，随着 材料尺寸的降低，其表面的电子结构和晶体结构 发生变化，产生了一些宏观物质所不具有的特殊 效应: 效应:小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏 观遂穿效应，从而具有传统材料所不具备的物理 化学性质。它所具有的独特性质使其在磁学、电 学、光学、催化以及化学传感等方面具有广阔的 应用前景。
图中表明，随 着辐射节能涂料平 均颗粒直径的减小， 其发射率有了大幅 度的提高，而且粒 径越小，效果越明 显。
1 0.95 0.9 0.85 0.8 0 10 20 30 40 50 60
单位：d(µm)
应用实例
纳米TiO2粒子对不同的电磁波有强烈的吸收作 用，能有效地吸收入射雷达波和红外线，而且其 尺寸小于雷达波和红外线的波长，透射率也较高， 从而可以使雷达波和红外线的反射信号大大降低， 如在战机表面涂上一层纳米TiO2吸波材料，可起 到“隐形”作用。 纳米TiO2和A12O3，Si02，Fe2O3等的复合颗粒 在红外波段有很强的吸收作用，它们与纤维物复 合能制成远红外功能织物，这种纤维对人体释放 的红外线有很好的屏蔽作用，同时织物以高效发 射出同样波长的远红外线，这样人体皮肤吸收远 红外线，转换成热量向人体内部传播，能够增强 保暖效果。
实际应用
纳米颗粒尺度小，比表面积大，具有 大尺度颗粒所没有的独特性质，常用来作 为添加剂合成复合物，以改变材料的力学、 电学、光学和热学性质。例如，在航天器 热阻涂层中加入纳米尺度颗粒，在提升其 机械性能的同时降低复合物的有效导热系 数能更好的满足需求；纳米孔材料因其超 低的导热系数，在保温节能领域发挥重要 的作用。
Fra Baidu bibliotek
结语
1、 纳米尺度材料为发展高性能的材料及 对现有材料性能进行改善提供了一个新的 途径。 2、 纳米复合材料已成为当今纳米材料科 学中最为活跃的研究领域之一。
谢谢大家！
二、纳米材料的热物理性能
纳米材料的热物理性能包括运输 性质和热力学性质两大类。其中，物 质的运输性质是指能量和动量传递过 程有关的导热系数、热扩散率、黏度、 热膨胀系数以及热辐射性质（发射率、 吸收率、反射率）等，热力学性质是 指比热容和热焓等。
1 、导热率
就单个纳米而言，内部的热输运在现实应用上 意义不大，纳米颗粒往往用来合成纳米复合材料， 因此纳米颗粒复合材料内的热输运具有重要的应用 价值。纳米颗粒的有效导热系数为：
热扩散率对SiC纳米涂层的影响 热扩散率对
SiC 纳米涂层可降低涂层的气孔率,因 纳米涂层可降低涂层的气孔率, 此可提高涂层的密度, 此可提高涂层的密度,而且致密的涂层也会 有较高的力学性能。在涂层升温烧结过程 中,致密化的速率与粉体颗粒尺寸的四次方 成反比,且纳米颗粒小,比面积大, 成反比,且纳米颗粒小,比面积大,并具有高 的扩散速率, 的扩散速率,这些都使涂层的致密化速率加 快,烧结温度降低。
几种纳米材料的热膨胀系数比较
纳米材料Cu、 纳米材料Cu、N、Fe-B-si，Ni—P合金 Fe- si，Ni— 的热膨胀系数α 的热膨胀系数α近乎是单晶的两倍，纳米材 科晶粒的组分对α 科晶粒的组分对α有影响，下表总结出了不 同材科的纳米、非晶和多晶的热膨胀系数。
几种材料的热膨胀系数
3、 热扩散率
5 、比热容
纳米材料的界面原子比较混乱，约束较 小，而且纳米材料的界面原子分数较大， 所以纳米材料的熵远大于粗晶材料，相应 的比热容大于粗晶材料。研究发现：晶粒 的尺寸越小，相对的比表面积越大，则热 熔增强越大。
纳米与粗晶比热容的比较
左图是粒径为 25nmFe热容值与粗晶 25nmFe热容值与粗晶 87nmFe热容对比图。 87nmFe热容对比图。 在80～350K温区, Fe热 80～350K温区, Fe热 容值随粒径减小而增 大这是由于表面效应 的影响所致, 随着Fe粒 的影响所致, 随着Fe粒 径减小, 径减小, 表面原子数迅 速增加, 速增加, 表面积急剧变 大, 表面自由能也 随之增大。故在同一 温度下, 粒径越小, 温度下, 粒径越小, 能 量越高， 因此热容越 大。
keff =k(3δ1/4)/(3δ1/4+1)
K是相应的体材料的导热系数，δ1指颗粒半径和平均自由程的比值。 是相应的体材料的导热系数，δ
例如：SiC的导热率 导热率
右图为选用的 是SiC体积分数为 50%，基体合金按 (12.1%) 共晶成分(12.1%)配 制。从图上可以看 出SiC颗粒粒径增大， 复合材料的导热率 升高，且影响较为 明显。
一、纳米材料发展历史
随着胶体化学的建立，人们开始了对直纵观 纳米材料发展的历史，大致可以分为三个阶段。 第一阶段限于合成纳米颗粒粉体或合成块体 等单一材料和单相材料; 等单一材料和单相材料; 第二个阶段则集中于各类纳米复合材料的研 究; 第三个阶段表现为对纳米自组装、人工组装 合成的纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶 体系等纳米结构材料的关注。纳米材料的研究内 涵也从最初的纳米颗粒以及由它们所组成的薄膜 与块体，扩大至纳米丝、纳米管、微孔和介孔材 料等范畴。
纳米材料中有大量的界面，这些界面 为原子提供了短程扩散途径。高的扩散率 对蠕变、超塑性等力学性能有明显的影响， 同时可以在较低的温度对材料进行有效的 掺杂，也可以在较低的温度下使不混溶的 金属形成新的合金相：纳米材料的高扩散 率，可使其在较低的温度下被烧结。例如， 12nmTiO2在不添加任何烧结剂的情况下， 可以在低于常规烧结温度400～600℃ 可以在低于常规烧结温度400～600℃下烧 结。