高温高场强下EPDM基电场调控复合材料的非线性电导特性研究

合集下载

新型热电材料Y2Te3热电性能应变调控研究

第52卷第8期2023年8月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.52㊀No.8August,2023新型热电材料Y 2Te 3热电性能应变调控研究夏雨虹,杨振清,周露露,邵长金(中国石油大学(北京)能源交叉学科基础研究中心,油气光学探测技术北京市重点实验室,北京㊀102249)摘要:具有低晶格热导率的稀土硫族化合物Y 2Te 3是一种非常有前途的新型热电材料,施加应变是调控热电材料热电性能的有效手段㊂本文采用第一性原理方法结合半经典玻尔兹曼输运理论,通过施加-4%到4%的应变对Y 2Te 3材料的热电性能进行应变调控㊂研究表明,施加压缩应变对Y 2Te 3材料热电性能的提高优于施加拉伸应变㊂300K 下p 型Y 2Te 3的最大功率因数由0.4mW㊃m -1㊃K -2提升到1.6mW㊃m -1㊃K -2,n 型Y 2Te 3在压缩应变下最大功率因数由8mW㊃m -1㊃K -2提升到11mW㊃m -1㊃K -2㊂300K 下p 型Y 2Te 3在应变调控下最大热电优值ZT 由0.07提升到0.15,n 型Y 2Te 3在压缩应变下最大热电优值ZT 由0.7提升到0.9㊂因此,n 型Y 2Te 3具有非常优异的热电性能,通过施加应变可以有效调控Y 2Te 3材料的热电性能,n 型Y 2Te 3具有作为热电材料的巨大潜力㊂关键词:热电材料;应变;热电性能;Y 2Te 3;硫族化合物;第一性原理中图分类号:TB34㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1000-985X (2023)08-1422-10Thermoelectric Properties of the Novel Thermoelectric Material Y 2Te 3Through Strain ModulationXIA Yuhong ,YANG Zhenqing ,ZHOU Lulu ,SHAO Changjin(Beijing Key Laboratory of Oil and Gas Optical Detection Technology,Center for Basic Research in Energy Interdisciplinary Studies,China University of Petroleum (Beijing),Beijing 102249,China)Abstract :The rare-earth chalcogenides Y 2Te 3with low lattice thermal conductivity is a very promising novel thermoelectric material.Applying strain is an effective way to modulate the thermoelectric properties of thermoelectric materials.In this paper,first-principles approach combined with the semiclassical Boltzmann transport theory were used to study the strain modulation of the thermoelectric properties of Y 2Te 3materials,for which -4%to 4%strain was applied to the Y 2Te 3materials.The results show that applying compressive strain may modulate thermoelectric properties more effectively than tensile strain.The maximum power factor of p-type Y 2Te 3increases from 0.4mW㊃m -1㊃K -2to 1.6mW㊃m -1㊃K -2at300K,and the maximum power factor of n-type Y 2Te 3increases from 8mW㊃m -1㊃K -2to 11mW㊃m -1㊃K -2under compressive strain.The maximum thermoelectric figure of merit (ZT)of p-type Y 2Te 3increases from 0.07to 0.15under strain modulation at 300K,and the maximum ZT of n-type Y 2Te 3increases from 0.7to 0.9under compressive strain.Therefore,n-type Y 2Te 3has very excellent thermoelectric properties,and the thermoelectric properties of Y 2Te 3materials can be effectively regulated by applying strain.n-type Y 2Te 3has great potential as a thermoelectric material.Key words :thermoelectric material;strain;thermoelectric property;Y 2Te 3;chalcogenide;first-principle ㊀㊀收稿日期:2023-04-17㊀㊀作者简介:夏雨虹(1999 ),女,山东省人,硕士研究生㊂E-mail:xiayuhong1999@163.con ㊀㊀通信作者:杨振清,博士,副教授㊂E-mail:yangzhq@ 0㊀引㊀㊀言由热电材料制成的热电器件可以实现热能和电能的直接相互转化[1],提供了将工业废热㊁汽车尾气废热㊁太阳能等热能直接转换为电能的途径[2-3],可以缓解当前的全球能源危机和温室效应[4],因而引起了广泛关注㊂热电材料的能量转化效率可以通过无量纲品质因数热电优值ZT(ZT =S 2σT /κ)评估[5-6],其中S ㊁σ㊁T 和κ分别为Seebeck 系数㊁电导率㊁温度和热导率,PF =S 2σ称为功率因数(power factor,PF)㊂高热电性㊀第8期夏雨虹等:新型热电材料Y 2Te 3热电性能应变调控研究1423㊀能的热电材料需要大的功率因数和低的热导率[7]㊂然而,这些关键参数之间相互关联,相互影响,使得很难提高热电材料的ZT 值[8-9]㊂因此,实现对电㊁热输运的独立或协同调控,是热电材料领域的长期研究目标[10]㊂Zhu 等[11]将图形神经网络和随机森林方法相结合,将稀土硫族化合物确定为一种具有低晶格热导率的新型热电材料,它可以通过阳离子空位调控电子载流子浓度㊂其中,La 3-x Te 4已被广泛研究用于高温热电材料[12]㊂La 3-x Te 4具有轻带和重带的协同效应,以及来自La 空位的增强声子散射,因而具有良好的电输运性质[13]㊂其他同类硫族化合物材料,如Pr 3-x Te 4[14]㊁Nd 3-x Te 4[15]㊁La 3-x Te 4[16]和La 2Te 3[17],由于阳离子空位增强声子散射,从而表现出低晶格热导率和高热电性能㊂另外,Sc 2Te 3[18]㊁Ge 2Sb 2Te 5[19]㊁Sb 2Te 3和Bi 2Te 3[20]等类岩盐结构的材料也是目前热门的热电材料,均具有可观的功率因数和低晶格热导率㊂Y 2Te 3材料是具有有序阳离子空位的类岩盐结构的稀土硫族化合物,是近年来发现的一种非常有前途的低晶格热导率的新型n 型热电材料[21]㊂提高材料热电性能的方法包括可以通过调节固溶体组成来增大材料的能带简并度[22],也可以通过元素掺杂在费米能级附近引入共振能级[23],还可以通过施加高压或应力应变来增大功率因数等[24-25]㊂到目前为止,Toriyama 等[21]通过n 型掺杂有效提高了Y 2Te 3的热电性能并实现ZT >1㊂其他提高Y 2Te 3材料热电性能的理论研究非常少㊂因此,有必要进一步探索提高Y 2Te 3材料ZT 值的有效方法㊂本文采用第一性原理计算结合玻尔兹曼输运理论,系统研究应变调控对Y 2Te 3材料热电性能的影响㊂首先研究压缩和拉伸应变下Y 2Te 材料的电子性质,随后探讨应变调控对Y 2Te 3材料热电性能各关键参数的影响,并最终得到Y 2Te 3材料在应变调控下的功率因数和ZT 值㊂1㊀晶体结构与计算方法Y 2Te 3晶体为正交结构(见图1),其空间群为Fddd (No.70),该结构具有有序阳离子空位,与Sc 2Te 3的正交多晶体同构[18]㊂本文选取的Y 2Te 3晶胞中含80个原子㊂在进行应变计算前,对Y 2Te 3晶胞进行结构优化,使材料达到最稳定的状态㊂结构优化后的晶格常数为a =0.89nm㊁b =1.25nm 和c =2.66nm,与已有文献的报道结果a =0.88nm㊁b =1.24nm 和c =2.62nm 非常一致[21],从而证明了Y 2Te 3晶胞初始结构是稳定的,后续的应变计算均以该晶体结构作为基础㊂图1㊀应变调控下Y 2Te 3的晶体结构Fig.1㊀Crystal structure of Y 2Te 3under strain modulation1424㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷本文计算过程中应变影响Y2Te3热电材料各关键参数是通过改变材料的晶格常数来实现的㊂描述应变大小的公式定义为:ε=(a-a0)/a0ˑ100%,其中a0和a分别是在某轴向上施加应变前后Y2Te3的优化晶格常数,对应于压缩和拉伸应变晶格常数相应的减小和增大㊂在进行应变范围的选取时,考虑到实验的可行性和Y2Te3材料晶体结构的稳定性,本研究对Y2Te3在X轴(a轴)方向施加-4%到4%的应变(+和-符号分别表示施加拉伸应变和压缩应变),并进行结构优化达到完全结构弛豫,即-4%到4%应变下Y2Te3材料晶格结构稳定,未发生相变㊂本文所有第一性原理计算都是基于密度泛函理论(density functional theory,DFT)框架下使用Vienna Ab initio Simulation Package(VASP)软件实现[26-28]㊂使用Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)的广义梯度近似作为交换相关泛函[29]㊂通过投影增强波法处理了核电子和价电子,经过截断能测试,平面波基的截止能量设定为340eV[30]㊂由于存在Y元素,经过测试对Y-d轨道进行Hubbard现场能量校正U=3eV[31-32]㊂布里渊区选取11ˑ8ˑ4的Monkhorst-Pack特殊k点网格[33]㊂在结构弛豫过程中,所有原子都完全弛豫,直到Hellmann-Feynman力小于0.001eV㊃Å-1㊂电输运特性是通过在弛豫时间近似(relaxation time approximation,RTA)内采用半经典玻尔兹曼理论和BoltzTraP软件计算[34]㊂弛豫时间τ的计算是通过形变势(deformation potential, DP)理论实现的[35]㊂2㊀结果与讨论2.1㊀电子性质半导体材料的电子能带结构和态密度(density of states,DOS)等电子性质对分析材料的热电性能至关重要[36-37]㊂首先,本文研究应变调控对Y2Te3电子性质的影响㊂基于能带计算结果,图2(a)~(i)展示了应变调控下Y2Te3的能带结构,结果显示在所有应变情况下Y2Te3均具有直接带隙㊂图2(i)显示未施加应变时Y2Te3具有1.09eV的直接带隙,与其他报道中的1.78eV的间接带隙差别较大,这是因为本文在计算时未考虑相对论自旋-轨道耦合(SOC)效应引起的带边移位[21],但不会影响不同应变调控下能带之间的对比㊂表1整理了Y2Te3在不同应变调控下的晶格常数㊁价带顶(valence band maximum,VBM)和导带底(conduction band bottom,CBM)的能量,以及带隙的数值结果㊂图2(j)显示VBM和CBM的能量及带隙随应变的变化情况,结果表明随着应变从-4%逐渐增加到4%,Y2Te3带隙值相应的逐渐增加㊂充分考虑压缩应变和拉伸应变两种应变形式,分开讨论可以得到:随着拉伸应变的增大带隙值不断增大,例如在1%的拉伸应变作用下,Y2Te3的带隙增加了1.91%,而在4%的拉伸应变作用下,Y2Te3的带隙增加了4.28%,增加幅度逐渐变缓;随着压缩应变的不断增大,其带隙值不断减小且减小幅度逐渐变大,例如在1%的压缩应变作用下Y2Te3的带隙减小了6.38%,而在4%的压缩应变作用下Y2Te3的带隙值减小了29.29%㊂由于带隙越大,电子由价带被激发到导带越难,本征载流子浓度就越低,电导率也就越低,不利于提高材料的热电转换效率㊂对Y2Te3施加拉伸应变会造成带隙的增大,施加压缩应变会不断降低带隙,因而可以预测施加压缩应变能够有效提高材料的热电转换效率㊂另外,拉伸应变和压缩应变对带隙的影响不同,因而能够预测在提高Y2Te3材料热电性能方面,对体相Y2Te3材料施加压缩应变优于拉伸应变㊂表1㊀应变调控下Y2Te3的晶格常数㊁VBM和CBM的能量及带隙Table1㊀Lattice constants,VBM and CBM energies,and band gap of Y2Te3under strain modulationa/nm Strain/%E VBM/eV E CBM/eV E g/eV0.85-4 3.8542 4.62880.77460.86-3 3.7151 4.57910.89400.87-2 3.5785 4.52550.94690.88-1 3.4489 4.4745 1.02560.890 3.3275 4.4230 1.09550.901 3.2470 4.3634 1.11640.912 3.1855 4.3083 1.12280.923 3.1178 4.2539 1.13610.934 3.0572 4.1996 1.1424㊀第8期夏雨虹等:新型热电材料Y 2Te 3热电性能应变调控研究1425㊀图2㊀应变调控下Y 2Te 3的能带结构和VBM㊁CBM 的能量,以及带隙随应变的变化情况㊂(a)~(i)应变调控下Y 2Te 3的能带结构;(j)VBM㊁CBM 的能量(右轴)及带隙(左轴)随应变的变化情况Fig.2㊀Energy band structure of Y 2Te 3under strain modulation and the variation of energy of VBM and CBM as well as band gap with strain.(a)~(i)Energy band structure of Y 2Te 3under strain modulation;(j)variation of energy (right axis)of VBM and CBM and band gap (left axis)withstrain 图3㊀应变调控下Y 2Te 3的DOS 分布图Fig.3㊀DOS distribution of Y 2Te 3under strain modulation 根据之前的报道,带隙周围DOS 的变化可以揭示Seebeck 系数的变化情况[38]㊂图3显示了不同应变调控下Y 2Te 3的DOS 分布,这为预测Y 2Te 3在应变调控下的热电性能提供了新的视角㊂对比DOS 图中带隙周围的价带和导带可以发现,在应变作用下带隙周围的价带和导带均变大,VBM 靠近费米能级,CBM 远离费米能级㊂DOS 的变化与能带分析的结果相吻合,因此可以进一步反映Y 2Te 3在应变调控下Seebeck 系数的变化情况㊂2.2㊀电输运性能功率因数是描述热电材料电输运性能的最重要参数㊂功率因数主要由Seebeck 系数S 和电导率σ两部分组成㊂为了确定应变对Y 2Te 3电输运性能的影响,本文根据电子性质计算结果,利用BoltzTraP 软件[34]计算出应变调控下Y 2Te 3的热电性能参数,重点研究应变对参数S 和σ的影响,最终得到应变对功率因数的影响结果㊂首先,研究了应变对Y 2Te 3的Seebeck 系数的影响㊂图4显示了应变调控下p 型和n 型Y 2Te 3在300K 时的Seebeck 系数S 与载流子浓度的函数关系㊂值得注意的是,在不同的应变调控作用下绝对Seebeck 系数均随载流子浓度的增加而近似线性降低㊂对于特定的载流子浓度,在0%~2%拉伸应变条件下p 型Y 2Te 31426㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷的Seebeck 系数大于n 型Y 2Te 3的绝对Seebeck 系数,其他应变条件下p 型Y 2Te 3的Seebeck 系数总是小于n 型Y 2Te 3的绝对Seebeck 系数㊂例如,当载流子浓度为~1ˑ1017cm -3时,施加4%压缩应变作用下p 型和n 型Y 2Te 3的Seebeck 系数分别为~560μV㊃K -1和~650μV㊃K -1㊂由图4(a)可知,对于p 型Y 2Te 3,无论是施加拉伸还是压缩应变Seebeck 系数均会降低,且随着应变的增加逐渐降低㊂由图4(b)可知,对于n 型Y 2Te 3,在施加压缩应变时Seebeck 系数随着应变增加逐渐降低,施加拉伸应变时Seebeck 系数随着应变增加逐渐增大,即Seebeck 系数随着应变从-4%到4%逐渐增大㊂图4㊀应变调控下Y 2Te 3在300K 时的Seebeck 系数S 与载流子浓度的函数关系Fig.4㊀Seebeck coefficient S as a function of carrier concentration for Y 2Te 3at 300K under strain modulation 为了解释p 型和n 型材料的Seebeck 系数的差异,需要探讨Seebeck 系数与电子性质之间的内在联系㊂根据能带理论,Seebeck 系数可以描述为[39]S p =k B e ln N V p ()+2.5-r [](1)S n =-k B e ln N C n ()+2.5-r [](2)式中:S p 和S n 分别是p 型和n 型材料的Seebeck 系数,r 和e 分别是散射因子和电子电荷,N V 和N C 分别是价带和导带的有效能级,n 和p 分别是电子和空穴载流子的数目,k B 是玻尔兹曼常数㊂因此,材料的Seebeck 系数与费米能级㊁散射因子㊁载流子浓度等物理量相关㊂通过应变修正DOS,可以相应地改变Seebeck 系数㊂根据公式(1)和(2)可以发现,Seebeck 系数与有效DOS 成正比,与载流子浓度成反比㊂同时,对图3的DOS 图像放大后分析表明,在费米能级附近价带的有效DOS 随着应变的增加而逐渐减小,对应于对p 型Y 2Te 3施加应变导致Seebeck 系数随着应变的增加逐渐减小㊂同样,导带的有效DOS 和应变之间也存在关联㊂对比发现,施加拉伸应变和压缩应变会对费米能级附近导带的有效DOS 产生相反的影响,拉伸应变使有效DOS 增加,相应使n 型Y 2Te 3的Seebeck 系数增加,压缩应变使有效DOS 减小,相应使n 型Y 2Te 3的Seebeck 系数减小㊂此外,施加应变后导致价带上移靠近费米能级和导带上移远离费米能级,也反映了应变对Y 2Te 3体系Seebeck 系数的影响,即对载流子浓度的影响,这可以解释为在应变的作用下能带结构的变化导致了电子和空穴浓度的变化㊂电导率是影响热电材料热电性能的另一个重要参数㊂由于弛豫时间τ对电导率的影响很大,因此,在计算电导率时需要首先计算弛豫时间τ[40]㊂弛豫时间还取决于载流子浓度和温度,因而无法直接确定弛豫时间㊂利用DP 理论结合有效质量近似,可以得到弛豫时间τ及其参数㊂计算公式为[35]τβ=μ3D βm ∗e =22πC 3D βħ43(k B T )3/2E 2βm ∗3/2(3)m ∗=ħ2∂2ε(k )/∂k 2(4)C 3D β=1V 0∂2E ∂(δl /l 0)2|l =l 0(5)㊀第8期夏雨虹等:新型热电材料Y2Te3热电性能应变调控研究1427㊀Eβ=∂E edge∂(δl/l0)(6)公式(3)中的ħ和T分别是普朗克常数和温度;公式(4)中的m∗是电荷有效质量;公式(5)中的C是三维弹性常数,l0是沿β方向的晶格矢量,δl是晶格常数相对于平衡晶格常数的变化㊂Eβ被称为DP常数,又称作形变势能,是系统在β轴单轴应变下的总能量,DP常数Eβ由公式(6)计算,其中E edge是能带边缘的移动㊂根据计算的形变势能㊁载流子的有效质量和弹性常数,运用DP理论可以得到一个与温度有关的弛豫时间㊂通过DP理论计算,表2给出了300K时应变调控下Y2Te3的DP常数Eβ和弹性常数C㊂表2㊀300K时应变调控下Y2Te3的DP常数Eβ㊁弹性常数CTable2㊀DP constants Eβ,elastic constants C of Y2Te3under strain modulation at300KCarrier type Eβ/eV C/(1010J㊃m-3)Electron 5.40 2.17Hole9.95 2.17已知应变会对Y2Te3材料的能带产生影响,而有效质量m∗与能带直接相关,故分别计算300K时应变调控下Y2Te3材料的有效质量m∗㊁载流子迁移率μ和弛豫时间τ,结果如表3所示㊂其中,未施加应变时有效质量m∗的计算结果与参考文献[21]的计算结果相符(电子有效质量0.467m e,空穴有效质量0.812m e,m e 代表电子的静止质量),证明了结果的可靠性㊂由于DP常数及不同应变作用下电子㊁空穴有效质量的差异,在不同应变作用下电子迁移率和空穴迁移率差距较大,例如0%应变下的电子迁移率(497.92cm2㊃V-1㊃s-1)是空穴迁移率(16.24cm2㊃V-1㊃s-1)的30倍左右㊂此外,电子弛豫时间和空穴弛豫时间也表现出较大差距,例如0%应变下n型半导体载流子的电子弛豫时间是108.73fs,是p型半导体空穴弛豫时间8.55fs的12倍左右㊂需要指出的是,三维热电材料相较于二维材料载流子迁移率和弛豫时间偏小㊂另外,DP理论基于声子和电子之间的散射过程,没有考虑光学声子散射和可能的杂质散射,这可能导致在中低温下弛豫时间和电导率被高估[41-42]㊂但是,本研究揭示的在应变下电导率的变化趋势不会受到影响㊂表3㊀300K时应变调控下Y2Te3材料的有效质量m∗㊁载流子迁移率μ和弛豫时间τTable3㊀Effective mass m∗,carrier mobilityμand relaxation timeτof Y2Te3material calculated under strainsmodulation at300KStain/%Carrier type m∗μ/(cm2㊃V-1㊃s-1)τ/fs-4Electron0.306m e878.39152.85-4Hole0.281m e320.1651.16-3Electron0.322m e773.31141.60-3Hole0.360m e172.3335.28-2Electron0.335m e700.46133.44-2Hole0.534m e64.3119.53-1Electron0.355m e605.92122.32-1Hole0.991m e13.707.720Electron0.384m e497.92108.730Hole0.926m e16.248.551Electron0.390m e478.99106.231Hole0.640m e40.8914.882Electron0.393m e469.92105.022Hole0.632m e42.2115.173Electron0.396m e461.08103.833Hole0.638m e41.2114.954Electron0.406m e433.17100.014Hole0.644m e40.2814.75基于计算的弛豫时间τ得到Y2Te3的电导率㊂如图5所示,显示了应变调控下p型和n型Y2Te3在300K 时的电导率σ与载流子浓度的函数关系㊂在给定1017~1020cm-3载流子浓度范围内,所有应变调控类型的1428㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷电导率均随载流子浓度的增加而近似线性增加㊂比较应变对电导率的影响,发现由于受电子和空穴弛豫时间的影响,n型电导率是p型的电导率的10倍左右㊂对p型Y2Te3无论是施加拉伸还是压缩应变其电导率均会升高,且随着应变的增加逐渐增加;而对于n型Y2Te3在施加压缩应变时电导率逐渐升高,施加拉伸应变时电导率逐渐降低㊂图5㊀应变调控下Y2Te3在300K时的电导率σ与载流子浓度的函数关系Fig.5㊀Conductivityσas a function of carrier concentration for Y2Te3at300K under strain modulation 由于热电材料的Seebeck系数和电导率均与材料的载流子浓度相关,随着载流子浓度的增加,电导率增加而Seebeck系数下降,两者的变化呈相反的趋势㊂Seebeck系数和电导率与载流子浓度有不同的关系,是因为它们与费米表面附近的DOS有相反的依赖关系㊂根据输运方程,Seebeck系数和电导率以相反的方式演化,这对于在应变调控下的结果仍然有效㊂同时表明应变不会使Seebeck系数和电导率解相关,两者依旧相互关联㊂因此,通过进一步研究影响热电材料性能的功率因数PF,可以描述施加应变对Y2Te3材料电输运性能的影响㊂图6显示了300K时应变调控下PF随载流子浓度的变化情况㊂考虑到对于大部分半导体材料,具有最佳热电性能的最优载流子浓度的量级通常为1019~1020cm-3,本文选取计算的Y2Te3的PF峰值所对应的最佳载流子浓度均在1019~1020cm-3㊂对于p型Y2Te3,应变对最大功率因数的影响非常显著,在应变调控下最大功率因数由0.4mW㊃m-1㊃K-2提升到1.6mW㊃m-1㊃K-2左右,提升大约4倍,且压缩应变影响效果大于拉伸应变,这与前面分析应变对带隙影响时,预测对Y2Te3材料施加压缩应变优于拉伸应变结果非常一致㊂对于n型Y2Te3,压缩应变影响效果同样优于拉伸应变,在拉伸应变调控下n型Y2Te3的最大功率因数略微降低,在压缩应变下最大功率因数明显提高,由原来的8mW㊃m-1㊃K-2提升到11mW㊃m-1㊃K-2左右,且n型Y2Te3本身PF值较大,因此n型Y2Te3具有非常优异的电输运性能㊂研究结果表明,施加应变可以有效调控Y2Te3材料的电输运性能,并且对Y2Te3材料施加压缩应变优于拉伸应变㊂同时,整体上n型Y2Te3的电输运性能优于p型Y2Te3㊂图6㊀应变调控下Y2Te3在300K时的PF随载流子浓度的变化Fig.6㊀Variation of PF with carrier concentration for Y2Te3at300K under strain modulation㊀第8期夏雨虹等:新型热电材料Y 2Te 3热电性能应变调控研究1429㊀2.3㊀热电优值为计算Y 2Te 3材料的热电优值ZT,需要计算应变对热导率的影响㊂热导率由电子热导率κe 和晶格热导率κl 两部分组成㊂电子热导率κe 和电导率σ之间的关系符合Wiedemann-Franz 定律[43-44]:κe =LσT ,其中洛伦兹常数L 取值为2.4ˑ108W㊃Ω㊃K -2㊂图7展示了在300K 下计算的电子热导率κe 随载流子浓度的变化关系㊂由于κe 和σ线性相关,因而应变对电子热导率的影响与电导率的影响类似(见图5)㊂对于晶格热导率,实验上测得300K 下Y 2Te 3材料的κl 为1.9W㊃m -1㊃K -1[11],从而得到Y 2Te 3材料在300K 下的热导率㊂图7㊀应变调控下Y 2Te 3在300K 时的电子热导率κe 随载流子浓度的变化Fig.7㊀Electrical thermal conductivity κe with carrier concentration at 300K for Y 2Te 3under strain modulation 根据电㊁热输运系数,计算得到不同应变调控下300K 时Y 2Te 3材料的ZT 值随载流子浓度的变化关系,如图8所示㊂结果表明,n 型Y 2Te 3的最大ZT 大于p 型的最大ZT,这主要是由于n 型Y 2Te 3具有较大的电导率㊂计算得到Y 2Te 3具有最佳热电优值的最优载流子浓度量级为1019~1020cm -3㊂对于p 型Y 2Te 3,应变对热电优值的影响非常显著,在应变调控下最大热电优值由0.07提升到0.15左右㊂除-3%和-4%应变作用下ZT 下降,其余拉伸和压缩应变作用下均会使ZT 提升,这与前面分析应变对PF 值影响结果不同,是因为应变对电导率和热导率的协同调控㊂对于n 型Y 2Te 3,与PF 值类似(见图6),同样压缩应变能够有效提升ZT,相反拉伸应变会相应减小ZT,在-3%和-4%应变作用下ZT 由原来的0.7提升到0.9左右㊂因此,本研究表明,施加压缩应变可以显著改善Y 2Te 3材料的热电优值,通过施加应变可以有效调控Y 2Te 3材料的热电性能㊂图8㊀应变调控下Y 2Te 3在300K 时的ZT 随载流子浓度的变化Fig.8㊀ZT with carrier concentration at 300K for Y 2Te 3under strain modulation 3㊀结㊀㊀论本文利用第一性原理计算,结合半经典Boltzmann 输运方程,研究-4%到4%应变调控对Y 2Te 3材料热电性能的影响㊂1430㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷首先,对Y2Te3材料施加应变会显著影响其电子结构,改变费米表面附近的DOS,并相应地对带隙大小进行调控,进而反映对Seebeck系数和电导率影响㊂由于带隙越大,电子由价带被激发到导带越难,本征载流子浓度就越低,电导率也就越低㊂对Y2Te3施加拉伸应变会造成带隙的增大,施加压缩应变会不断降低带隙,因而能够预测在提高Y2Te3材料热电性能方面,施加压缩应变优于拉伸应变㊂对于电输运性能,应变对p型Y2Te3的最大功率因数影响非常显著,由0.4mW㊃m-1㊃K-2提升到1.6mW㊃m-1㊃K-2左右,且压缩应变影响效果大于拉伸应变,这与应变对带隙影响结果非常一致㊂对于n 型Y2Te3,同样压缩应变影响效果优于拉伸应变,在压缩应变下最大功率因数由原来的8mW㊃m-1㊃K-2提升到11mW㊃m-1㊃K-2左右㊂因此,n型Y2Te3具有非常优异的电输运性能㊂对于热电性能,n型Y2Te3的最大ZT值大于p型的最大ZT值㊂计算得到Y2Te3具有最佳热电优值的最优载流子浓度的量级为1019~1020cm-3㊂对于p型Y2Te3,在应变调控下最大热电优值由0.07提升到0.15左右㊂对于n型Y2Te3,压缩应变能够有效提升ZT值,在-3%和-4%应变作用下ZT值由原来的0.7提升到0.9左右㊂因此,施加压缩应变可以显著改善Y2Te3材料的热电优值,通过施加应变可以有效调控Y2Te3材料的热电性能,并且n型Y2Te3的电输运性能优于p型Y2Te3㊂n型Y2Te3具有作为热电材料的巨大潜力,有望在热电器件中应用㊂期待这项研究后续可以指导对Y2Te3材料热电性能的实验研究,并进一步推动热电器件的发展㊂参考文献[1]㊀ZHANG X,ZHAO L D.Thermoelectric materials:energy conversion between heat and electricity[J].Journal of Materiomics,2015,1(2):92-105.[2]㊀YANG L,CHEN Z G,DARGUSCH M S,et al.High performance thermoelectric materials:progress and their applications[J].AdvancedEnergy Materials,2018,8(6):1701797.[3]㊀HAMID ELSHEIKH M,SHNAWAH D A,SABRI M F M,et al.A review on thermoelectric renewable energy:principle parameters that affecttheir performance[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2014,30:337-355.[4]㊀CHANNEGOWDA M,MULLA R,NAGARAJ Y,et prehensive insights into synthesis,structural features,and thermoelectric propertiesof high-performance inorganic chalcogenide nanomaterials for conversion of waste heat to electricity[J].ACS Applied Energy Materials,2022,5(7):7913-7943.[5]㊀SNYDER G J,TOBERER E plex thermoelectric materials[J].Nature Materials,2008,7(2):105-114.[6]㊀余泽浩,张力发,吴㊀靖,等.二维层状热电材料研究进展[J].物理学报,2023,72(5):135-155.YU Z H,ZHANG L F,WU J,et al.Recent progress of2-dimensional layered thermoelectric materials[J].Acta Physica Sinica,2023,72(5): 135-155(in Chinese).[7]㊀SU L Z,WANG D Y,WANG S N,et al.High thermoelectric performance realized through manipulating layered phonon-electron decoupling[J].Science,2022,375(6587):1385-1389.[8]㊀LV H Y,LU W J,SHAO D F,et al.Strain-induced enhancement in the thermoelectric performance of a ZrS2monolayer[J].Journal of MaterialsChemistry C,2016,4(20):4538-4545.[9]㊀OUYANG Y L,ZHANG Z W,LI D F,et al.Emerging theory,materials,and screening methods:new opportunities for promoting thermoelectricperformance[J].Annalen Der Physik,2019,531(4):1800437.[10]㊀徐㊀庆,赵琨鹏,魏天然,等.热电材料的研究现状与未来展望[J].硅酸盐学报,2021,49(7):1296-1305.XU Q,ZHAO K P,WEI T R,et al.Development and prospects of thermoelectric materials[J].Journal of the Chinese Ceramic Society,2021, 49(7):1296-1305(in Chinese).[11]㊀ZHU T S,HE R,GONG S,et al.Charting lattice thermal conductivity for inorganic crystals and discovering rare earth chalcogenides forthermoelectrics[J].Energy&Environmental Science,2021,14(6):3559-3566.[12]㊀MAY A F,SINGH D J,SNYDER G J.Influence of band structure on the large thermoelectric performance of lanthanum telluride[J].PhysicalReview B,2009,79(15):153101.[13]㊀DELAIRE O,MAY A F,MCGUIRE M A,et al.Phonon density of states and heat capacity of La3-x Te4[J].Physical Review B,2009,80(18):184302.[14]㊀CHEIKH D,HOGAN B E,VO T,et al.Praseodymium telluride:a high-temperature,high-ZT thermoelectric material[J].Joule,2018,2(4):698-709.[15]㊀GOMEZ S J,CHEIKH D,VO T,et al.Synthesis and characterization of vacancy-doped neodymium telluride for thermoelectric applications[J].Chemistry of Materials,2019,31(12):4460-4468.[16]㊀WOOD C,LOCKWOOD A,PARKER J,et al.Thermoelectric properties of lanthanum sulfide[J].Journal of Applied Physics,1985,58(4):㊀第8期夏雨虹等:新型热电材料Y2Te3热电性能应变调控研究1431㊀1542-1547.[17]㊀HE Z M,YANG M,WANG Z M,et al.Optimization of segmented thermoelectric devices composed of high-temperature thermoelectric materialLa2Te3[J].Advanced Composites and Hybrid Materials,2022,5(4):2884-2895.[18]㊀CHEIKH D,LEE K,PENG W Y,et al.Thermoelectric properties of scandium sesquitelluride[J].Materials,2019,12(5):734.[19]㊀ŁOCZECHIN A,SÉRON K,BARRAS A,et al.Functional carbon quantum dots as medical countermeasures to human coronavirus[J].ACSApplied Materials&Interfaces,2019,11(46):42964-42974.[20]㊀WITTING I T,CHASAPIS T C,RICCI F,et al.The thermoelectric properties of bismuth telluride[J].Advanced Electronic Materials,2019,5(6):1800904.[21]㊀TORIYAMA M Y,CHEIKH D,BUX S K,et al.Y2Te3:a new n-type thermoelectric material[J].ACS Applied Materials&Interfaces,2022,14(38):43517-43526.[22]㊀AL RAHAL AL ORABI R,MECHOLSKY N A,HWANG J,et al.Band degeneracy,low thermal conductivity,and high thermoelectric figure ofmerit in SnTe-CaTe alloys[J].Chemistry of Materials,2016,28(1):376-384.[23]㊀TAN G J,SHI F Y,HAO S Q,et al.Codoping in SnTe:enhancement of thermoelectric performance through synergy of resonance levels andband convergence[J].Journal of the American Chemical Society,2015,137(15):5100-5112.[24]㊀PICCIONE B,GIANOLA D S.Tunable thermoelectric transport in nanomeshes via elastic strain engineering[J].Applied Physics Letters,2015,106(11):113101.[25]㊀CHANDRA SHEKAR N V,POLVANI D A,MENG J F,et al.Improved thermoelectric properties due to electronic topological transition underhigh pressure[J].Physica B:Condensed Matter,2005,358(1/2/3/4):14-18.[26]㊀WANG V,XU N,LIU J C,et al.VASPKIT:a user-friendly interface facilitating high-throughput computing and analysis using VASP code[J].Computer Physics Communications,2021,267:108033.[27]㊀KRESSE G,FURTHMÜLLER J.Efficiency of ab-initio total energy calculations for metals and semiconductors using a plane-wave basis set[J].Computational Materials Science,1996,6(1):15-50.[28]㊀KRESSE G,FURTHMÜLLER J.Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set[J].PhysicalReview B,Condensed Matter,1996,54(16):11169-11186.[29]㊀PERDEW J P,BURKE K,ERNZERHOF M.Generalized gradient approximation made simple[J].Physical Review Letters,1996,77(18):3865-3868.[30]㊀BLÖCHL P E.Projector augmented-wave method[J].Physical Review B,Condensed Matter,1994,50(24):17953-17979.[31]㊀GORAI P,TOBERER E S,STEVANOVIC'V.Thermoelectricity in transition metal compounds:the role of spin disorder[J].Physical ChemistryChemical Physics,2016,18(46):31777-31786.[32]㊀DUDAREV S L,BOTTON G A,SAVRASOV S Y,et al.Electron-energy-loss spectra and the structural stability of nickel oxide:an LSDA+Ustudy[J].Physical Review B,1998,57(3):1505-1509.[33]㊀MONKHORST H J,PACK J D.Special points for Brillouin-zone integrations[J].Physical Review B,1976,13(12):5188-5192.[34]㊀MADSEN G K H,CARRETE J,VERSTRAETE M J.BoltzTraP2,a program for interpolating band structures and calculating semi-classicaltransport coefficients[J].Computer Physics Communications,2018,231:140-145.[35]㊀BARDEEN J,SHOCKLEY W.Deformation potentials and mobilities in non-polar crystals[J].Physical Review,1950,80(1):72-80.[36]㊀ZHU X L,LIU P F,XIE G F,et al.Thermoelectric properties of hexagonal M2C3(M=As,Sb,and Bi)monolayers from first-principlescalculations[J].Nanomaterials,2019,9(4):597.[37]㊀KUMAR S,SCHWINGENSCHLÖGL U.Thermoelectric response of bulk and monolayer MoSe2and WSe2[J].Chemistry of Materials,2015,27(4):1278-1284.[38]㊀LEE M S,POUDEU F P,MAHANTI S D.Electronic structure and thermoelectric properties of Sb-based semiconducting half-Heusler compounds[J].Physical Review B,2011,83(8):085204.[39]㊀GUO D L,HU C G,XI Y,et al.Strain effects to optimize thermoelectric properties of doped Bi2O2Se via tran-blaha modified becke-johnsondensity functional theory[J].The Journal of Physical Chemistry C,2013,117(41):21597-21602.[40]㊀XI J Y,LONG M Q,TANG L,et al.First-principles prediction of charge mobility in carbon and organic nanomaterials[J].Nanoscale,2012,4(15):4348-4369.[41]㊀PEI Y Z,SHI X Y,LALONDE A,et al.Convergence of electronic bands for high performance bulk thermoelectrics[J].Nature,2011,473(7345):66-69.[42]㊀WANG F Q,GUO Y G,WANG Q A,et al.Exceptional thermoelectric properties of layered GeAs2[J].Chemistry of Materials,2017,29(21):9300-9307.[43]㊀JONSON M,MAHAN G D.Mott s formula for the thermopower and the Wiedemann-Franz law[J].Physical Review B,1980,21(10):4223-4229.[44]㊀STOJANOVIC N,MAITHRIPALA D H S,BERG J M,et al.Thermal conductivity in metallic nanostructures at high temperature:electrons,phonons,and the Wiedemann-Franz law[J].Physical Review B,2010,82(7):075418.。

EPDM_陶瓷高介电常数低损耗复合电介质薄膜

#论文与报告#EPD M)陶瓷高介电常数低损耗复合电介质薄膜邢福保,许鑫华,孔凡(天津大学材料科学与工程学院,天津300072)摘要:采用三元乙丙橡胶(EPDM)与高介电常数陶瓷粉复合制备高介电常数低损耗复合电介质薄膜,解决聚丙烯)陶瓷复合电介质膜发脆问题。

对EPDM和不同陶瓷粉体的复合进行了较系统的研究,对影响复合电介质薄膜性能的因素、复合工艺条件等作了探讨。

在保持复合薄膜柔软的条件下,介电常数达30,比EPDM大幅度提高且损耗很小,容量温度变化率小于5%(-25e~85e)。

体积电阻率10158c m,击穿强度大于50kV/mm。

关键词:三元乙丙橡胶(EPDM);陶瓷;复合;电介质;介电常数;介电损耗中图分类号:O484.8文献标识码:A文章编号:1008-1267(1999)05-0001-05电子工业的发展,对电容器提出了小体积、大容量和高可靠性的要求。

薄膜电容器工作电压高、绝缘电阻大、介电损耗小、机械强度较高、工作温度范围较宽而在电容器中占有重要地位。

薄膜电容器大都以聚合物作电介质,由于高分子介电常数很小,难以满足电容器小体积、大容量的要求。

虽然可以从减小薄膜厚度、研制新型聚合物等角度解决,但薄膜厚度的减小是有限度的,同时薄膜厚度减小不可避免地牺牲了电容器的耐压性能。

最理想的办法当然是提高介电常数,但一般介电常数高的聚合物,损耗较大,不适于作电容器材料。

高介电常数的陶瓷习惯上用作高压电容器,但机械强度差,厚度很难降低。

我们曾研究过陶瓷与聚丙烯复合制备高介低损复合电介质薄膜[1],陶瓷粉所占重量比超过80%时,复合电介质膜的介电常数才达到7,过量的陶瓷粉使复合电介质膜发脆,降低了复合电介质材料作为电容器介质的实用价值[2,3]。

本文提出把三元乙丙橡胶(EPD M)作电介质材料使用。

由于三元乙丙橡胶和乙丙橡胶在室温下处于橡胶态,不能制成薄膜,没有见到作为电介质材料使用的文献报道,而加入陶瓷粉后恰好降低橡胶的弹性,本文对这一复合体系进行了较系统的研究。

聚乳酸基复合材料耐热改性研究进展

工程塑料应用ENGINEERING PLASTICS APPLICATION第47卷，第6期2019年6月V ol.47，No.6Jun. 2019143doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2019.06.027聚乳酸基复合材料耐热改性研究进展韩松芬1，李阳1，何敏1，田港1，杨中庆1，李尚婙1，刘玉飞1，2(1.贵州大学材料与冶金学院高分子材料与工程系，贵阳 550025； 2.国家复合改性聚合物材料工程技术研究中心，贵阳 550014)摘要：综述了近年来国内外对聚乳酸基复合材料耐热改性方法的研究进展，重点介绍了通过各种耐热改性方法如共混改性、纤维增强、交联改性、提高结晶度等来提高聚乳酸基复合材料的热变形温度、维卡软化温度和热降解温度。

同时指出了目前聚乳酸基复合材料耐热改性研究存在的问题，并对今后聚乳酸基复合材料耐热改性的研究方向进行了展望。

关键词：耐热改性；聚乳酸；维卡软化温度；热变形温度；热降解温度中图分类号：TQ314.24 文献标识码：A 文章编号：1001-3539(2019)06-0143-05Research Progress on Heat Resistant Modification of PLA Matrix CompositesHan Songfen 1， Li Yang 1， He Min 1， Tian Gang 1， Yang Zhongqing 1， Li Shangjing 1， Liu Yufei 1，2(1. Department of Polymer Material and Engineering ， Institute of Materials and Metallurgy of Guizhou University ， Guiyang 550025， China ；2. National Engineering Research Center for Compounding and Modi ﬁcation of Polymer Materrials ， Guiyang 550014， China )Abstract ：The research progress of the heat resistant modi ﬁcation of polylactic acid (PLA) matrix composites at domestic and foreign in recent years was summarized. The heat de ﬂection temperature ，vicat softening temperature and thermal degradation temperature of PLA matrix composites were improved by a variety of heat resistant modi ﬁcation methods such as blending modi ﬁca-tion, ﬁber reinforcement ，crosslinking modi ﬁcation, increasing crystallinity and so on. At the same time ，the problems of the heat resistant modi ﬁcation of PLA matrix composites were pointed out ，and the research directions of heat resistant modi ﬁcation of PLA matrix composites in the future were prospected.Keywords ：heat resistant modi ﬁcation ；polylactic acid ；vicat softening temperature ；distortion temperature ；thermal degra-dation temperature近年来，随着人们环保意识的逐渐提高，可再生生物降解的聚乳酸(PLA)材料逐渐引起人们的关注。

高体积分数颗粒增强复合材料有效线性与非线性介电性质的研究

高体积分数颗粒增强复合材料有效线性与非线性介电性质的研
究
周萧明;胡更开
【期刊名称】《应用数学和力学》
【年(卷),期】2006(27)8
【摘要】基于两球相互作用的近似解,提出了一种解析方法来预测颗粒增强复合材料的线性有效介电性质,该方法可以应用于颗粒体积分数较高(可达50%)的情况.利用割线方法还研究了该类复合材料的非线性有效性质.结果表明当外加电场较弱时该文提出的方法与Stroud和Hui的方法比较接近,当外场较强时与Yu和Hui的方法一致.
【总页数】8页(P891-898)
【关键词】等效介电常数;高体积百分比;非线性复合材料;割线法
【作者】周萧明;胡更开
【作者单位】北京理工大学理学院力学系
【正文语种】中文
【中图分类】TB330.1
【相关文献】
1.预测复合材料非线性有效介电系数的割线方法 [J], 周萧明;胡更开
2.高体积分数SiC颗粒增强铝基复合材料的超声波钎焊 [J], 张洋;闫久春
3.层状复合材料介电性质与体积分数关系的研究 [J], 周胜;储才元;严灏景
4.高体积百分比颗粒增强聚合物材料的有效粘弹性性质 [J], 李丹;胡更开
5.高体积含量非线性黏弹复合材料有效性质 [J], 李丹;胡更开
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

导电粒子填充HDPE复合材料的非线性导电特性与标度行为

基于有效介质普适方程(general effective-media equation, GEM 方程)和由材料的体积膨胀造成填料体积分数的稀释效应, 我们建立一个可定量描述并解释基体体积膨胀对复合材料 PTC 突变贡献的唯象模型[6].
描述大多数两相复合材料电导率与导电填料体积分数之间关系的 GEM 方程为[7, 8]
( ) ( ) ( ) 1 − φ σ1m/ t − σ1/ t
σ1m/ t + A g σ1/ t
+
φ σ1f / σ1f/ t +
t − σm1/ t A g σ1/
t
= 0,
(2)
式中
A
=(1−φc )/φc ,
φ和
φ c
分别为导电填料的体积
分数和临界体积分数; σ, σ 和σ 分别为复合材料
Vm 0
+ φ0
,
(5)
式中 Vm(T)/Vm0 为聚合物的相对体积膨胀, 其中 Vm0 为室温下聚合物的体积; φ(T)为温度 T 时的填料体积
分数, φ0 为室温下导电填料的体积分数.
2258
图 2 为实测聚乙烯基体体积膨胀随温度的变化曲线. 可见 , 当温度低于 120 时, 基体体积膨胀率随温度增加而缓慢增加; 高于 120 后, 体积膨胀率有一个突然的增大. 将 Vm(T)/ Vm0 代入式(5)可得到由图 2 给出的 φ随温度的变化关系φ(T). 可见, 高于 120 后, φ有一个突然的降低. 将φ(T)曲线关系代入拟合的 GEM 方程, 得到由图 3 给出的复合材料 ρ 与温度的关系ρ (T). 随着 φ 的减小, 复合材料的 PTC 转变温度 Tt 逐渐移向低温, 并低于基体的熔点. 说明只要φ 减小到φc 就会产生 PTC 现象, 且在熔融开始前φ 的减小主要是由基体的体积膨胀引起的 . 事实上, 根据所提出的模型可知, 任何具有逾渗导电性质的复合材料均具有 PTC 性质, 无论基体是否能够熔融.

填充型聚合物基复合材料的导电和导热性能

将ＨＤＰＥ、ＣＢ（ＣＦ）及辅料加入Ｈａａｋｅ转矩流变仪中混炼（螺杆转速５０／ｍｉｎ，混炼温度１５５℃，混炼时间１５ｍｉｎ）；将混炼料在平板硫化机上热压成片（模压温度１６０‘Ｃ，压力３０ＭＰａ，时间２０ｍｉｎ）；材料在模具中冷却至室温
时脱模，放置过夜后测试性能。室温电阻用７１５０Ｐ智能万用表测定，高阻用ＺＣ３６型超高电阻测试仪测定，热导率用ＴＣＨＭ—Ｉ。Ｔ型导热测试仪测定。
粒子形成的导电链进行，而且也通过ＨＤＰＥ本体进行。对于至少由两相构成的填充聚合物复合材料，组分互为杂质，对热传导产生相互干扰。聚合物连续相导热系数很小，但对填料声子
和电子的散射作用却很大。此外，材料的致密程度对其导热影响很大。高导热系数填料的加入带入了一定数量的微气孔。由于空气是热的不
良导体，因此复合材料的实测导热系数比预期
ｆｉｌｌｅｒｐａｒｔｉｃｌｅｓｗｈｉｃｈｐａｓｓｅｓｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｐｏｌｙｍｅｒｍａｔｒｉｘａｔｔｈｅｐｅｒｃｏｌａｔｉｏｎｔｈｒｅｓｈｏｌｄ．Ｉｎｃｏｎｔｒａｓｔｔｏｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，ｔｈｅｒｅｅｘｉｓｔｅｄｎｏｊｕｍｐｉｎｔｈｅｐｅｒｃｏｌａｔｉｏｎｔｈｒｅｓｈｏｌｄｒｅｇｉｏｎｆｏｒｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ—ｄｅｐｅｎｄｅｎｔｔｈｃｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ．Ｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｃｏｕｌｄｂｅｗｅｌｌｆｉｔｕｓｉｎｇｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｍｏｄｅｌｉｎｗｈｉｃｈｐａｒｔｉｃｌｅｓｗｉｔｈｈｉｇｈｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｄｉｓｐｅｒｓｅｄｉｎｌｏｗｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃ— ｔｉｖｅｍａｔｒｉｘ．Ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｉｓｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｔｏｂｅｔｏｕｃｈｉｎｇｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙａｎｄａｌ—

强电场下材料电导率演化规律数值模拟

强电场下材料电导率演化规律数值模拟导言材料的电导率是衡量其导电性能的重要指标之一。

在强电场下，材料的电导率会发生变化，这对于电子器件和能源材料的设计与应用具有重要意义。

为了揭示强电场下材料电导率的演化规律，数值模拟方法成为一种有效的研究手段。

本文将通过数值模拟的方法，探讨在强电场下材料电导率的变化规律。

1. 强电场下材料电导率的基本原理在强电场下，材料的电导率会出现变化。

这是由于强电场会引起材料内部电子的加速，导致电子与材料原子之间的相互作用发生变化。

电子被强电场加速后，可以更容易地穿过材料的晶格结构，从而导致材料的电导率增加。

此外，强电场还可能引起材料的电子组态发生变化，导致电导率的变化。

2. 数值模拟方法数值模拟是一种基于计算机算法的方法，通过对材料电导率变化的仿真计算来探讨其演化规律。

目前常用的数值模拟方法包括分子动力学模拟和密度泛函理论模拟等。

分子动力学模拟是一种基于牛顿运动定律的计算方法，通过对材料中原子之间相互作用的数值求解，来模拟材料的电导率变化。

该方法能够考虑到强电场下材料中原子和电子的相互作用，从而得到较为准确的电导率变化结果。

密度泛函理论模拟是一种基于量子力学的计算方法，通过求解材料的电子结构方程，来模拟材料的电导率变化。

该方法能够考虑到材料中电子的量子效应，具有较高的精度，但计算复杂度较高。

3. 数值模拟结果与讨论基于分子动力学模拟和密度泛函理论模拟的数值计算结果显示，在强电场下，材料的电导率随着电场强度的增加而增加，但增加速度逐渐减小。

这是由于强电场引起的电子加速效应饱和的原因。

当电场强度达到一定程度时，材料的电导率增加趋势逐渐平缓。

此外，数值模拟还发现在材料的电导率增加过程中，材料的热导率也会发生变化。

这是由于材料中电子的加速导致其热传导能力的增加，从而提高了材料的热导率。

数值模拟结果还表明，在强电场下，材料的电导率变化与电场频率和温度等因素也有关系。

随着电场频率的增大和温度的升高，材料的电导率增加趋势会加速。

B 4C、石墨复合改性酚醛树脂基超高温胶黏剂的导电性能

第7卷第3期175中国科技论文CHINA SCIENCEPAPER2012年3月B4C、石墨复合改性酚醛树脂基超高温胶黏剂的导电性能袁宏观1,2，张寿春3，王继刚1,2，黄金督4（1. 东南大学材料科学与工程学院，南京211189；2. 江苏省先进金属材料重点实验室，南京211189；3. 中国科学院山西煤炭化学研究所，太原030001；4. 东南大学分析测试中心，南京211189）摘要：为实现石墨材料的高温连接，以酚醛树脂(PF)为胶黏剂主体，B4C、石墨作复合改性填料，配制得到超高温胶黏剂。

分别将PF和超高温胶黏剂热模压成型，测试了200~1 200 ℃间不同温度高温热处理后热压样的电导率及抗压强度。

发现PF及高温胶本体的电导率随温度升高而提高，在600~800 ℃间高温胶的电导率发生突变而迅速提升，1 000 ℃以后电导率仍小幅提高并趋于稳定。

树脂基体的高温裂解是超高温胶电导率随温度上升的关键原因，石墨粉的加入能显著提高超高温胶的导电性，B4C的过量加入则对超高温胶的高温导电性有不利影响。

为进一步验证高温胶的导电性能，以超高温胶黏剂粘接石墨样品，在相同条件下进行高温热处理并测试了胶层的电导率，发现了同样的规律。

综合考虑力学性能和导电性能，将较为理想的胶黏剂配比（质量比）优化确定为m PF︰m B4C︰m石墨=100︰75︰25。

关键词：酚醛树脂；碳化硼；石墨；超高温胶黏剂；导电中图分类号：TB324文献标志码：A 文章编号：2095－2783(2012)03－0175－6Electrical conductivity evolution of phenol formaldehyde matrix ultra-temperature adhesives modified by B4C and graphite powders Yuan Hongguan1,2，Zhang Shouchun3，Wang Jigang1,2，Huang Jindu4(1. School of Materials Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China; 2. Jiangsu Key Laboratory of Advanced Metallic Materials, Nanjing 211189, China; 3. Institute of Coal Chemistry, Chinese Academy of Sciences, T aiyuan 030001, China; 4. Analysis and T esting Center, Southeast University, Nanjing 211189, China) Abstract: In order to realize joining of carbon/graphite materials which usually happens at high temperatures, we prepared ultra-temperature adhesives (UTAs) using phenol formaldehyde (PF) as matrix with boron carbide (B4C) and graphite powders as additives. The pure PF and UTAs were cured by the hot-pressing method. After heated at 200–1 200 ℃, the room-temperature electrical conductivities of these hot-pressed samples were tested. It was found that the electrical conductivities of these hot-pressed samples increased with elevated temperatures. The electrical conductivity increased rapidly in the range of 600–800 ℃ and then tended to be stable at above 1000 ℃. The electrical conductivities of graphite specimens bonded by UTAs were further investigated after the heating treatment under the same condition. The evolution regularity of electrical conductivity for the bonded specimens is similar to that of hot-pressed samples. It also indicates that the UTAs prepared with a composition of m(PF): m(B4C): m(graphite powders)=100: 75: 25 had preferable mechanical and 收稿日期：2012-03-02基金项目：国家自然科学基金资助项目(20874011)，教育部留学回国人员科研启动基金（教外司留[2009]1001号），高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20100092110030)作者简介：袁宏观(1987－)，男，硕士研究生，主要研究方向：有机高温胶黏剂的研究通信联系人：王继刚，教授，主要研究方向：新型炭材料、复合材料等，wangjigang@第7卷第3期2012年3月176 中国科技论文CHINA SCIENCEPAPERelectrical properties.Key words: phenol formaldehyde；boron carbide；graphite；ultra-temperature adhesive；electrical conductivity石墨材料因其优异的高温热物理特性而广泛应用于核能、冶金等高温领域[1-4]。

湿度和温度对MXene_水泥基复合材料导电性能的影响

第42卷第9期2023年9月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.42㊀No.9September,2023湿度和温度对MXene 水泥基复合材料导电性能的影响林正祥1,唐晓丹2,于常胜1,白治朋2,职芳芳1,靳卫准1,王㊀良3,蒋林华1(1.河海大学力学与材料学院,南京㊀211100;2.中国长江电力股份有限公司,宜昌㊀443000;3.浙江省水利河口研究院,杭州㊀310020)摘要:为研究新型水泥基材料本征传感器,本文制备了二维过渡金属碳/氮化物(MXene)水泥基复合材料㊂利用四电极法测试复合材料的电阻率变化,研究MXene 掺量㊁湿度㊁温度对电阻率的影响,并通过扫描电子显微镜(SEM)观察复合材料的微观形貌㊂结果表明:MXene 水泥基复合材料电阻率随MXene 掺量的变化符合渗流理论,相对含水量的增加和环境温度的升高均会降低其电阻率,在多次升降温循环后复合材料仍具有良好的温敏性能㊂SEM 测试表明MXene 水泥基复合材料的电阻率主要由MXene 导电网络的分布和接触情况决定㊂关键词:MXene;水泥基复合材料;电阻率;导电网络;相对含水量;温度中图分类号:TU528㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2023)09-3117-08Effects of Humidity and Temperature on Electrical Conductivity of MXene Cement-Based CompositesLIN Zhengxiang 1,TANG Xiaodan 2,YU Changsheng 1,BAI Zhipeng 2,ZHI Fangfang 1,JIN Weizhun 1,WANG Liang 3,JIANG Linhua 1(1.College of Mechanics and Materials,Hohai University,Nanjing 211100,China;2.China Yangtze Power Co.,Ltd.,Yichang 443000,China;3.Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary,Hangzhou 310020,China)Abstract :Two-dimensional transition metal carbon /nitride (MXene)cement-based composites were prepared to study a new type of cement-based material intrinsic sensor.The effects of MXene content,humidity and temperature on resistivity of composites were studied by four-electrode method.The microstructure of composites was observed by scanning electron microscope (SEM).The results show that the variation of electrical resistivity of MXene cement-based composites with content of MXene conforms to the percolation theory.The increasing of relative water content and ambient temperature decreases the electrial resistivity of composites,and composites has good temperature-sensitive performance after multiple rising and cooling cycles.SEM results show that the electrical resistivity of MXene cement-based composites is mainly determined by distribution and contact of MXene conductive network.Key words :MXene;cement-based composites;electrical resistivity;conductive network;relative water content;temperature 收稿日期:2023-04-19;修订日期:2023-06-20基金项目:国家自然科学基金(52078183);江苏省水利科技项目(2021018);浙江省水利厅科技计划(RB2217)作者简介:林正祥(1999 ),男,硕士研究生㊂主要从事新型水泥基材料方面的研究㊂E-mail:152****5610@通信作者:蒋林华,博士,教授㊂E-mail:hhulhjiang@0㊀引㊀言自感知水泥基复合材料是通过向水泥基体中掺入导电组分后制备出的具有良好导电性能的特殊水泥基材料,在结构监测㊁融雪除冰㊁电磁屏蔽等领域发挥着重要作用㊂以自感知水泥基复合材料为基础制作的水泥基材料本征传感器具有优良的耐久性㊁与混凝土构件较好的兼容性以及较低的制造成本,因此引起越来越多国内外研究者的关注[1]㊂然而,自感知水泥基材料普遍面临重复性较差㊁导电和自感知性能有限等问题,3118㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷因此选用合适的导电组分对自感知水泥基材料的研发具有重要意义㊂石墨烯㊁碳纳米管等导电组分虽然能改善水泥基材料的电导率,但是由于材料间存在范德华力,在胶凝材料中容易发生团聚,进而影响水泥基体中导电网络的构建[2-4]㊂二维过渡金属碳/氮化物(MXene)是一类新型二维纳米材料,化学通式为M n +1X n T x ,其中M 为Ti㊁Nb 等过渡态金属元素,X 为C㊁N 元素,T 表示官能团,如 OH㊁O㊁ F 等,n 为1~4的整数[4-6]㊂MXene 有着极高的电导率(104S /cm)和机械强度(断裂强度为17.3GPa),其表面的含氧官能团( OH㊁O)使得MXene 具有良好的分散性[7-9]㊂自2011年被发现以来,MXene 在电磁屏蔽㊁超级电容器等方面被广泛应用㊂Wang 等[10]通过研究MXene /聚二甲基硅氧烷纳米复合材料的导电性,发现加入MXene 可使纳米复合材料的电导率提高近14个数量级㊂然而,将MXene 作为导电组分来改善水泥基复合材料的自感知性能鲜有研究,MXene 水泥基复合材料的导电行为也有待探索㊂此外,当外界环境发生变化时,水泥基体的导电性能会随着导电网络的变化而发生改变[11]㊂Wang 等[12]研究了自感知砂浆的机敏性能,结果表明随着干燥时间的增加,复合材料的电阻率最大可升高两个数量级,并且随着温度的升高,复合材料电阻率下降约40%㊂因此,有必要研究自感知水泥基材料在不同湿度和温度下的电阻率变化㊂本文通过四电极法测量了不同湿度和温度下MXene 水泥基复合材料的电阻率,研究了MXene 掺量㊁相对含水率㊁环境温度对其电阻率的影响,探讨了新型水泥基材料本征传感器的工作性能,对自感知水泥基复合材料的研究具有重要意义㊂1㊀实㊀验1.1㊀原材料试验所用Ti 3AlC 2(质量分数>98%,粒径<40μm)购自山东烯研新材料科技有限公司,盐酸(HCl,分析纯,质量分数为36%~38%)购自国药集团化学试剂有限公司,氟化锂(LiF,分析纯,质量分数为99%)购自上海麦克林生化科技有限公司,纳米SiO 2购自海泰纳米材料有限公司,硅粉购自河南义翔新材料有限公司㊂水泥采用海螺牌P㊃O 42.5水泥,其性能指标符合国家标准‘通用硅酸盐水泥“(GB 175 2007),试验用水采用南京市自来水㊂1.2㊀试样制备利用盐酸与LiF 反应生成的HF 溶液来刻蚀Ti 3AlC 2中的Al 元素,进而得到Ti 3C 2T x [13]㊂图1为刻蚀前后试样的SEM 照片,可以看出在刻蚀之前,Ti 3AlC 2中不同片层相互堆叠,呈明显的块状结构,刻蚀后,Ti 3C 2T x 呈二维层状结构㊂刻蚀前后试样的EDS 谱如图2所示,可以看出刻蚀后试样中已经不再含有Al元素㊂图3为刻蚀前后试样的XRD 谱,可以看出刻蚀前Ti 3AlC 2试样中包含(002)和(104)两个特征峰,刻蚀后(104)特征峰消失,表明Al 层已经完全去除,同时,刻蚀后(002)特征峰角度变小㊁面积变宽,说明Ti 3C 2T x 片层间的距离增大,同时Ti 3C 2T x 的XRD 谱较为平缓,这些结果表明MXene 片层成功剥离且刻蚀后的试样杂质含量少[10]㊂图4为Ti 3C 2T x 的粒径分布,可以看出Ti 3C 2T x 的粒径集中在110~140μm㊂图1㊀刻蚀前后试样的SEM 照片Fig.1㊀SEM images of samples before and after etching第9期林正祥等:湿度和温度对MXene 水泥基复合材料导电性能的影响3119㊀图2㊀刻蚀前后试样的EDS 谱Fig.2㊀EDS spectra of samples before and afteretching 图3㊀刻蚀前后试样的XRD 谱Fig.3㊀XRD patterns of samples before and afteretching 图4㊀Ti 3C 2T x 的粒度分布Fig.4㊀Particle size distribution of Ti 3C 2T x MXene 具有较大的比表面积,浸湿其表面时需要较多的水分,为保证水泥浆体的工作性能,选取水胶比为0.55,并加入硅粉来促进MXene 在水泥基体中的进一步分散,加入纳米SiO 2来提高材料强度[3]㊂水泥与硅粉的质量比为9ʒ1,纳米SiO 2掺量为胶凝材料的1%(全文掺量均为质量分数),MXene 掺量分别为胶凝材料的0.1%㊁0.5%㊁1.0%㊁1.5%和2.0%,不掺MXene 的试样为空白样㊂为保证MXene 在水泥基体中分散均匀,成型前将不同掺量的MXene 在40kHz 下超声40min 并不断搅拌,制得MXene 分散液㊂然后将分散液㊁水泥倒入净浆搅拌机中,搅拌5min 后注入30mm ˑ10mm ˑ10mm 的模具中㊂沿着试样长度方向等距离插入4个不锈钢网,置于振动台上振动2min 排出气泡,1d 后拆模并在标准养护箱中养护28d㊂试验结果为三个平行试样测量结果的平均值㊂图5㊀四电极法示意图(单位:mm)Fig.5㊀Schematic diagram of four-electrode method (unit:mm)1.3㊀试验方法1)湿敏试验采用四电极法测试试样电阻率,电路连接示意图如图5所示(Aᶄ为电流,V 为电压),试样电阻率ρ计算式如式(1)所示㊂ρ=U ㊃A I ㊃L(1)式中:U ㊁I 分别为测量电压和电流,A 为试样沿长度方向的横截面积,L 为不锈钢电极之间的距离㊂将养护至28d 的试样在水中浸泡24h,使试样进入饱水状态㊂再对试样进行称重,然后将试样在50ħ的烘箱中分别放置20min 和1㊁1.5㊁2㊁3㊁5㊁7㊁12h,以3120㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷产生不同的水分含量[14],将烘干48h 的试样视为完全干燥㊂为了使试样内部水分分布均匀,将达到相关含水量的试样用保鲜膜包裹均匀并静置一个月㊂相对含水量计算式如式(2)所示㊂S =m S -mᶄ0m 0-mᶄ0(2)式中:S 为试样的相对含水量,m S 为相对含水量为S 时试样的质量,m 0为试样饱水时的质量,m ᶄ0为试样烘干时的质量㊂2)温敏试验为测试试样在不同温度下的电阻率,将烘干并冷却至室温的试样用保鲜膜包裹,用冰箱和水浴锅来调节温度,为保证内外温差平衡,在不同温度下的试样需放置5h 以上㊂以273.15K 时为基准,试样电阻率相对变化率计算式如式(3)所示㊂FCR =Δρρ0=ρ-ρ0ρ0ˑ100%(3)式中:ρ0为273.15K 下试样的电阻率,Δρ为不同温度下试样电阻率相较于273.15K 下电阻率的变化值㊂2㊀结果与讨论2.1㊀湿度对试样电阻率的影响图6为MXene 掺量对试样电阻率的影响㊂从图6中可以看出,试样的电阻率整体上呈渐变-突变-渐变的变化趋势,符合渗流理论,可分为未渗流区(绝缘区,掺量ɤ0.1%)㊁渗流区(0.1%<掺量ɤ1.0%)和过渗流区(导电区,掺量>1.0%)[1]㊂图7为相对含水量对不同MXene 掺量试样电阻率的影响㊂由图7可知,不同MXene 掺量下试样的电阻率均随着相对含水量的增加而降低㊂在未渗流区,试样电阻率先呈快速下降的趋势,当相对含水量达到60%时,降低趋势逐渐缓慢,试样的电阻率最终下降两个数量级㊂随着MXene 掺量的增加,渗流区和过渗流区试样电阻率的下降幅度也随之减小㊂当相对含水量较高时,水分会进入水泥基体的孔隙,增强试样的导电能力㊂另一方面,MXene 表面会吸附较多的水分,使导电组分间的势垒降低,增强试样的隧道导电能力,但水分子的存在也会增加载流子定向移动的阻力,所以相对含水量过高时试样电阻降低的幅度逐渐减小㊂图6㊀MXene 掺量对试样电阻率的影响Fig.6㊀Effect of MXene content on electrical resistivity ofsamples 图7㊀相对含水量对不同MXene 掺量试样电阻率的影响Fig.7㊀Effect of relative water content on electrical resistivity of samples with different MXene content2.2㊀单次升温对试样电阻率的影响温度对不同MXene 掺量试样电阻率变化率的影响如图8所示(Δρ/ρ0为电阻率变化率)㊂当MXene 掺量在未渗流区时,试样的电阻率变化率较低㊂渗流区及过渗流区掺量试样的电阻率均表现出明显的负温度系数,0.5%㊁1.0%㊁1.5%和2.0%MXene 掺量试样的电阻率变化率分别为25.16%㊁40.80%㊁49.09%和51.07%,说明随着MXene 掺量的增加,试样的温敏性能也逐渐增强,但在过渗流区,随着MXene 掺量的增加,试样电阻率变化率的增加幅度先大幅降低,后逐渐稳定在较高水平㊂第9期林正祥等:湿度和温度对MXene 水泥基复合材料导电性能的影响3121㊀图8㊀温度对不同MXene 掺量试样电阻率变化率的影响Fig.8㊀Effect of temperature on change rate in electrical resistivity of samples with different MXene content 在外加电场作用下,试样的电阻率由载流子浓度和迁移速率决定㊂当MXene 掺量一定时,温度的升高加剧了MXene 表面电子和空穴的热运动,使更多的载流子挣脱共价键的束缚,同时高温下热运动加剧,使试样内部载流子的浓度和运动速率迅速增加,进而降低试样的电阻率㊂此外,MXene 的热膨胀系数小于水泥基体,随着温度的升高,热膨胀系数的差异使得水泥基体的体积膨胀大于MXene 片层,导致MXene 片层间的距离增大,隧道效应减弱,两种因素的共同作用使得试样的电阻率变化率随着温度的升高而逐渐降低㊂当MXene 掺量达到过渗流区时,试样的隧道导电与体积效应逐渐达到平衡,使试样的电阻率变化率逐渐稳定在较高水平㊂随着掺量的增加,试样逐渐表现出半导体特性,半导体电阻率ρ与温度之间的关系通常用式(4)表示㊂ρɖe E g 2kT (4)式中:E g 为禁带宽度;k 为玻尔兹曼常数;T 为绝对温度,K㊂将试样电阻率随温度的变化关系用式(5)(b 为常数)进行拟合[15],单次升温过程中不同MXene 掺量试样的电阻率拟合曲线和拟合结果如图9和表1所示㊂ρ=ρ0e b T (5)可以看出,不同MXene 掺量下的试样电阻率与温度之间存在着良好的指数关系,式(5)可以较好地反映出试样电阻率与温度之间的变化规律㊂图9㊀单次升温过程中不同MXene 掺量试样的电阻率拟合曲线Fig.9㊀Fitting curves of electrical resistivity of samples with different MXene content in single heating process3122㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷表1㊀单次升温过程中不同MXene 掺量试样的电阻率拟合结果Table 1㊀Fitting results of electrical resistivity of samples with different MXene content in single heating processMXene content /%ρ0/(Ω㊃cm)b R 20.5331703770.981.07756820.981.52298420.992.01469260.982.3㊀升降温循环对试样电阻率的影响为了验证试样的电阻率与温度之间规律的稳定性,将掺量为0.5%㊁1.0%㊁1.5%㊁2.0%的试样于263.15~353.15K 进行5次升降温循环,测量试样在随机温度下的电阻率,并与拟合得到的电阻率曲线进行对比,多次升降温循环后不同MXene 掺量试样电阻率的计算值与实测值如图10所示㊂随着升降温循环的进行,试样的电阻率与拟合曲线之间仍具有很好的对应关系,说明试样在5次温度循环后仍然保持了较好的温敏性能,试样电阻率随温度的变化规律具有良好的可逆性㊁平稳性和重复性㊂在高温时,试样实测电阻率与计算值之间的误差增大,这可能是由于传热效率的限制,试样的内部温度仍略低于设定的环境温度,并且测试时试样温度与室温相差较大,试样与空气热交换的速率增加,使得高温下试样的电阻率普遍高于计算值㊂图10㊀多次升降温循环后不同MXene 掺量试样电阻率的计算值与实测值Fig.10㊀Calculated and measured values of electrical resistivity of samples with different MXene content under multiple heating and cooling cycles 2.4㊀微观结构图11为不同MXene 掺量试样的SEM 照片㊂图11(a)为0.1%MXene 掺量的试样,可以看出MXene 片层呈现出不规则的形状且表面较为粗糙,这与图11(b)中表面光滑且呈现出六边形的Ca(OH)2存在着明显区别㊂图11(c)为0.5%掺量的试样,可以看出随着掺量的增加,MXene 逐渐相互搭接形成团簇,为载流子迁移提供了通道,此时试样的电阻率迅速降低㊂图11(d)为MXene 掺量为1.5%的试样,MXene 团簇彼此第9期林正祥等:湿度和温度对MXene 水泥基复合材料导电性能的影响3123㊀接触,水泥基材料内部已经形成完整的导电网络,继续提高MXene 掺量只会使导电网络的密度进一步提高,并不会大幅度降低试样的电阻率㊂图11㊀不同MXene 掺量试样及Ca(OH)2的SEM 照片Fig.11㊀SEM images of samples with different MXene content and Ca(OH)2根据SEM 照片分析,MXene 接触导电是试样主要的导电机制㊂温度的升高会直接提高MXene 的载流子浓度和迁移速率,所以试样会随着MXene 掺量的增加表现出更好的温敏性能㊂此外,湿度对MXene 载流子浓度的影响有限,所以当相对含水量较高时,材料电阻率的降低主要依靠溶解在水中的Na +㊁K +㊁OH -等自由离子的离子导电作用实现㊂3㊀结㊀论1)随着MXene 掺量的增加,MXene 水泥基复合材料的电阻率逐渐降低,当MXene 掺量达到1.0%时,电阻率逐渐稳定在较低水平㊂2)相对含水量对MXene 水泥基复合材料的电阻率有显著影响,随着相对含水量的增加,试样电阻率逐渐降低,未渗流区试样的电阻率最高降低两个数量级㊂3)温度会明显影响渗流区及过渗流区试样的电阻率,随着温度的升高,当MXene 掺量超过渗流阈值后,试样的电阻率表现出负温度效应,且电阻率与环境温度之间具有良好的指数变化关系㊂随着MXene 掺量的增加,试样的温敏性能逐渐增强,在5次温度循环后,试样仍具有较好的温敏性能㊂4)MXene 在水泥基体中的分布和接触情况是决定水泥基复合材料电阻率的主要因素,水泥基体中的导电网络会随着MXene 的掺加逐渐完善㊂湿度对电阻率的降低依靠增强材料的离子导电实现,温度则通过增强MXene 表面载流子浓度和运动速率来降低电阻率㊂参考文献[1]㊀LIU L Y,XU J X,YIN T J,et al.Improved conductivity and piezoresistive properties of Ni-CNTs cement-based composites under magneticfield[J].Cement and Concrete Composites,2021,121:104089.[2]㊀DU M R,JING H W,GAO Y A,et al.Carbon nanomaterials enhanced cement-based composites:advances and challenges[J].NanotechnologyReviews,2020,9(1):115-135.[3]㊀BAI S Y,JIANG L H,XU N,et al.Enhancement of mechanical and electrical properties of graphene /cement composite due to improved3124㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷dispersion of graphene by addition of silica fume[J].Construction and Building Materials,2018,164:433-441.[4]㊀LIU Y C,WU K,LU M P,et al.Highly thermal conductivity and flame retardant flexible graphene/MXene paper based on an optimized interfaceand nacre laminated structure[J].Composites Part A:Applied Science and Manufacturing,2021,141:106227.[5]㊀VAHIDMOHAMMADI A,ROSEN J,GOGOTSI Y.The world of two-dimensional carbides and nitrides(MXenes)[J].Science,2021,372(6547):eabf1581.[6]㊀KUMAR J A,PRAKASH P,KRITHIGA T,et al.Methods of synthesis,characteristics,and environmental applications of MXene:acomprehensive review[J].Chemosphere,2022,286:131607.[7]㊀XUE S,SUN Y,CAO J,et al.Maximizing ion storage in MXene/Kevlar nanofiber composite films for enhanced capacitive energy storage[J].Electrochimica Acta,2022,423:140575.[8]㊀GUO J,LEGUM B,ANASORI B,et al.Cold sintered ceramic nanocomposites of2D MXene and zinc oxide[J].Advanced Materials,2018,30(32):e1801846.[9]㊀梁㊀程,程群峰.MXene纤维的制备㊁性能及应用研究进展[J].复合材料学报,2022,39(9):4227-4243.LIANG C,CHENG Q F.Progress in preparation,properties and applications of MXene fiber[J].Acta Materiae Compositae Sinica,2022,39(9):4227-4243(in Chinese).[10]㊀WANG D Z,LIN Y,HU D W,et al.Multifunctional3D-MXene/PDMS nanocomposites for electrical,thermal and triboelectric applications[J].Composites Part A:Applied Science and Manufacturing,2020,130:105754.[11]㊀HAN B G,DING S Q,YU X.Intrinsic self-sensing concrete and structures:a review[J].Measurement,2015,59:110-128.[12]㊀WANG Y J,XU J X,LIANG Y C,et al.PDMS/CNB-impregnation treatment for improving the electrical and piezoresistive properties of recycledfine aggregate mortar[J].Journal of Building Engineering,2023.[13]㊀FAN Z M,WANG D L,YUAN Y,et al.A lightweight and conductive MXene/graphene hybrid foam for superior electromagnetic interferenceshielding[J].Chemical Engineering Journal,2020,381:122696.[14]㊀JANG S H,HOCHSTEIN D P,KAWASHIMA S,et al.Experiments and micromechanical modeling of electrical conductivity of carbon nanotube/cement composites with moisture[J].Cement and Concrete Composites,2017,77:49-59.[15]㊀CHEN H H,XU N,JIANG P,et al.Study on the effect of freeze-thaw action on the electrical conductivity and sensing properties of graphene-based cement composites[J].Materials,2023,16(2):855.。

PVA纤维增韧水泥基复合材料高温后力学性能研究

PVA纤维增韧水泥基复合材料高温后力学性能研究田露丹; 张径伟; 董帅; 袁广林; 张倩茜【期刊名称】《《混凝土》》【年(卷),期】2011(000)012【摘要】对高延性纤维增韧水泥基复合材料（ECC）的高温后力学性能进行了试验研究，探讨了高温对于其抗压、抗折强度以及质量损失率的影响，并通过微观显像研究了其微观结构的劣化机理。

研究结果表明：高温对ECC的质量损失率影响不严重，而高温将对ECC的力学性能产生重大影响，200℃后PVA纤维将发生熔融并挥发，抗折强度大幅降低；纤维挥发产生的孔洞直径将在40～600℃时得到扩张，导致抗压强度大幅降低；800℃后其残余抗折、抗压强度分别为原有强度的17．3％、37％；由于PVA纤维熔融挥发产生的大量孔隙减小了ECC试块在高温下发生爆裂的概率。

为深入研究ECC的耐火性能及预测ECC结构构件高温后的损伤提供参考依据。

【总页数】4页(P31-33,48)【作者】田露丹; 张径伟; 董帅; 袁广林; 张倩茜【作者单位】中国矿业大学力学与建筑工程学院江苏徐州 221008; 中元国际工程设计研究院上海分院上海 200127; 上海贝卡尔特二钢有限公司上海 200127【正文语种】中文【中图分类】TU528.572【相关文献】1.PVA纤维增强水泥基复合材料力学性能研究 [J], 刘桐;张继红;刘友忠;陈娟;艾军2.PVA纤维增韧水泥基复合材料耐火性能研究现状 [J], 尹万云;余华春;杨大峰;徐明3.常规制备的PVA纤维增韧水泥基复合材料 [J], 何芸4.高温后PVA纤维增强水泥基复合材料力学性能试验研究 [J], 杨珊;李祚;彭林欣;罗月静;滕晓丹5.PVA纤维增韧工程水泥基复合材料在屋面防水工程中的应用研究 [J], 周建伟;余保英;孔亚宁;亢泽千;李毅因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

复合绝缘非线性电场的有限元迭代计算_张施令

f1 x2 f2 x2 fn x2
... ... ...
f1 xn f2 xn fn xn

(8)
式(8)为一个 nn 阶方阵，函数 f 为有限元单元局部区域内电导率与温度、场强的非线性关系，即 f (E ,T ) (9) 牛顿拉夫逊迭代法解非线性方程能加快迭代收敛过程，原因在于引入“阻尼系数”Pk 可有效减小每次迭代的增量从而防止振荡和促进收敛，每个迭代步对单元局部电导率的修正公式为
电位是不可信的。文中采用逐次迭代的方法来解决该问题：先对每一个有限元单元给定初始值，由此得到场域中各点电位和场强 E，由电导率与场强、温度的非线性关系 f ( E , T ) 获取新的值。如此反复迭代计算，直到相邻两次求解的或值之差小于某一给定精度为止，其判断条件如式(6)所示：
第 38 卷第 2 期
电
网
技
术
449
介质的场变、温变非线性。本文说明了基于 FEM 技术的非线性迭代算法原理及流程，并通过存在理论解析解的同轴圆柱结构验证了该算法的准确性，进一步开展了变压器油、油浸纸和环氧浸纸 3 种绝缘介质温变、场变非线性的试验测量。最后建立了一台400 kV 换流变压器阀侧套管出线装置全模型，分析了温变、场变非线性对其直流稳态、极性反转瞬态电场分布的影响规律。本文提出的非线性电场有限元迭代算法及电场模拟结果可为换流变压器阀侧套管出线装置的设计提供理论依据。
(State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment (Xi’an Jiaotong University), Xi’an 710049, Shaanxi Province, China) ABSTRACT: DC steady-state and polarity reversal (PR) are the typical states of composite insulation in converter transformer barrier system, and the insulation medium has strong nonlinear characteristic of E-field and temperature, so the DC steady-state and polarity reversal E-field will be affected by the variation of electric parameters under temperature gradient. The finite element method (FEM) is applied to the quantitative E-field analysis considering electric and temperature nonlinear factors simultaneously. First, the nonlinear relationship between conductivity with E-field and temperature of medium is obtained by experiments. Then, the iterative FEM is proposed and verified by coaxial insulation with analytical solution. Finally, the full-scale model of 400 kV converter transformer barrier system is established, and the DC steady-state and polarity reversal E-field is calculated with the proposed method. The results show that under linear and nonlinear conditions the E-field is quite different, and E-field nonlinearity can inhibit the local high electric spot. Temperature nonlinearity can reduce the E-field in high temperature area and increase that in lower temperature area. Under the temperature gradient condition, the local high E-field spot is likely to occur in the polarity reversal process. The iterative FEM and calculation results can provide references for the design of converter transformer barrier system. KEY WORDS: polarity reversal; composite insulation; nonlinearity; finite element method; barrier system 摘要：直流稳态和极性反转是换流变压器阀侧套管出线装置复合绝缘的典型运行状态，且绝缘介质具有较强的场变、温变非线性，因此温度梯度下，其电性能参数的改变将影响复合绝缘的直流稳态和极性反转电场。该文将有限元法用于定量分析电场、温度两个非线性因素对电场分布的影响。通过试验确定单一绝缘介质电导率与场强、温度的非线性函数关系。提出计及场强、温度非线性的有限元迭代算法，并通过存在解析解的同轴绝缘结构验证该算法的准确性。建立了 400 kV 换流变压器出线装置复合绝缘结构全模型，分析了场强、温度对其直流稳态场、极性反转瞬态场的影响规律。结果表明，线性与非线性条件下得到的电场分布规律存在一定差异，且场变非线性对局部高场强区域有一定的抑制作用，而温变非线性可使高温区场强降低，低温区场强升高。在极性反转过程中，温变非线性可使复合绝缘出现畸变较严重的局部高场强区。该文提出的非线性电场有限元迭代算法及电场模拟结果可为换流变压器出线装置的设计提供参考。关键词：极性反转；复合绝缘；非线性；有限元；出线装置 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2014.02.027

聚吡咯材料导电性的量化计算及实验研究

聚吡咯材料导电性的量化计算及实验研究
钟飞;许青青;叶亚萍
【期刊名称】《化工新型材料》
【年(卷),期】2024(52)2
【摘要】采用密度泛函理论对吡咯(Py)和聚吡咯分子(PPy)进行全优化,并在
b31yp/6-31g(d)水平上计算了Py和PPy分子中氮原子的电荷密度、最高占据分子轨道(HOMO)能量、最低空轨道(LUMO)能量和能带隙(ΔE)。

从理论角度探究了Py和PPy分子结构与导电性的关系。

在理论分析预测的基础上,选择合适的氧化剂和掺杂剂及其在实验中适宜的用量,采用化学氧化法制备不同反应温度下的PPy,探讨了反应温度对PPy聚合度及其导电性能的影响。

结果表明:PPy的聚合度越大,其导电性就越好;低温有利于制备聚合度较高和电导率较好的PPy。

【总页数】5页(P170-174)
【作者】钟飞;许青青;叶亚萍
【作者单位】荆州理工职业学院;衢州学院化学与材料工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】O633.5;TQ317
【相关文献】
1.聚吡咯及其复合材料的合成与导电性能研究
2.聚吡咯/有机蒙脱土纳米复合材料的制备及其导电性
3.石墨烯/聚吡咯复合材料的制备及其导电性能研究
4.电荷掺杂
和C1掺杂聚吡咯、聚呋喃、聚噻吩的导电性理论研究5.纳米石墨薄片/聚吡咯复合材料的制备及导电性能
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

高压直流电缆绝缘材料聚丙烯改性研究综述

高压直流电缆绝缘材料聚丙烯改性研究综述
陈少杰;惠卓斌;李欢
【期刊名称】《陕西理工大学学报:自然科学版》
【年(卷),期】2023(39)1
【摘要】聚丙烯(PP)具有出色的热稳定性、绝缘性、可回收再利用和无需交联等优势,是可替代交联聚乙烯(XLPE)的高压直流电缆绝缘材料,但无法直接应用于高压电缆绝缘。

为此从PP的结构特性出发,综述了几种常用于PP的改性方法研究进展,分别论述了共混改性、纳米颗粒掺杂改性和成核剂改性对PP力学性能和电气性能的改进。

采用弹性体共混改性可以增强PP的低温韧性,减小刚性;纳米掺杂抑制了PP电树枝生长及空间电荷积聚,大幅提升PP介电性能;β成核剂的加入形成了松散结构的β球晶可以提升PP韧性。

最后,对PP改性研究现状做出总结。

【总页数】10页(P27-36)
【作者】陈少杰;惠卓斌;李欢
【作者单位】陕西理工大学电气工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TM215
【相关文献】
1.高压直流电缆用LDPE/EPDM复合绝缘材料的性能研究
2.基于增强绝缘材料非线性电导率的特高压直流电缆接头优化设计研究
3.接枝改性高压直流电缆绝缘材
料的研究进展4.高压超高压柔性直流输电电缆附件绝缘材料研究5.聚丙烯基直流电缆绝缘材料的研究进展
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

考虑非线性阻抗特征的碳纤维复合材料雷电损伤评估方法[发明专利]

专利名称：考虑非线性阻抗特征的碳纤维复合材料雷电损伤评估方法
专利类型：发明专利
发明人：孙晋茹,姚学玲,陈景亮,许雯珺
申请号：CN201811488125.8
申请日：20181206
公开号：CN109598069A
公开日：
20190409
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开一种考虑非线性阻抗特征的碳纤维复合材料雷电损伤评估方法，研究单一雷电流分量作用下，碳纤维复合材料雷电损伤的各种影响因素，获得碳纤维复合材料雷电损伤面积、损伤深度与雷电流分量的峰值、上升速率、转移电荷量、比能量以及碳纤维复合材料的非线性阻抗特性之间的规律，在此基础上，建立单一雷电流分量作用下雷电损伤的多因素评估模型，获得碳纤维复合材料雷电损伤面积、损伤深度与多因素的影响因子及其之间的数学表达式，探究碳纤维复合材料的雷电损伤机理，为碳纤维复合材料层合板配方、工艺的研究提供理论依据。

申请人：西安交通大学
地址：710049 陕西省西安市碑林区咸宁西路28号西安交通大学
国籍：CN
代理机构：北京市诚辉律师事务所
代理人：范盈
更多信息请下载全文后查看。

强非线性复合介质的电导性质研究

强非线性复合介质的电导性质研究
顾国庆
【期刊名称】《上海理工大学学报》
【年(卷),期】1996(000)004
【摘要】应用伽辽金方法研究了强非线性复合介质的电导性质。

讨论了杂质和基质都服从Ｊ＝σ→Ｅ│＾２Ｅ的本构方程，在只保留最低阶近似的情况下，导出了这类复合介质的非线性有效电导率的近似解析公式。

【总页数】1页(P1)
【作者】顾国庆
【作者单位】华东工业大学;香港中文大学
【正文语种】中文
【中图分类】TM21
【相关文献】
1.非线性复合介质电导的有效介质近似 [J], 顾国庆; 魏恩伯
2.非线性复合介质电导的有效介质近似 [J], 顾国庆; 魏恩伯
3.碳化硅晶须/环氧树脂复合介质非线性电导特性研究 [J], 迟庆国;崔爽;张天栋;杨蒙;陈庆国
4.电子束辐照对环氧微米复合介质表面陷阱特性和表面电导的影响 [J], 林生军;黄印;闵道敏;李枕;谢东日;李盛涛;张翀;邢照亮
5.交联行为对纳米复合电介质电导特性和电气强度的影响 [J], 李果;李秀峰;申晋;王小强;杨培杰;陈友福
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

超导电缆终端用非线性复合材料研究进展

超导电缆终端用非线性复合材料研究进展
冯鑫;佟庆彬;袁立敏;闫旭峰;杨艳芳;张宏杰;赵勇青;李松;丘明
【期刊名称】《绝缘材料》
【年(卷),期】2017(50)12
【摘要】电场分布不均匀是超导电缆终端存在的技术难题,使用非线性复合材料可以有效改善超导电缆终端的电场不均匀现象。

本文详细综述了用于改善超导电缆终端绝缘不均匀电场的非线性复合材料最新的研究进展,提出了非线性复合材料研究中存在的问题,并展望了超导电缆终端用非线性复合材料的发展方向。

【总页数】5页(P10-14)
【关键词】超导电缆终端;电场分布;非线性复合材料;液氮环境
【作者】冯鑫;佟庆彬;袁立敏;闫旭峰;杨艳芳;张宏杰;赵勇青;李松;丘明
【作者单位】北京交通大学电气工程学院;国网北京市电力公司检修分公司;新疆大学电气工程学院;中国电力科学研究院电工与新材料研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TM215.92
【相关文献】
1.凭借科技优势促进超导产业化记高温超导电缆终端项目承担者中科院等离子体物理研究所 [J],
2.高温超导电缆终端预制式应力锥缺陷的研究分析 [J], 逯康康;方进;黄晓华;申政;宋文娟;郑晓东;刘斌;周伟
3.超级电缆的超级电网构想——利用氢气冷却高温超导体，一条超级电缆可为终端用户同时提供电力和氢气 [J], Paul M．Grant
4.100kV直流高温超导电缆终端应力锥设计 [J], 于立佳; 王银顺; 朱承治; 乔玉凯; 王腾岩
5.超导电缆终端系统的设计与应用 [J], 叶新羽;雷俊玲;张恩;刘丹
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

高强度高电导率材料研究概述

高强度高电导率材料研究概述
葛继平
【期刊名称】《大连交通大学学报》
【年(卷),期】2003(024)004
【摘要】分析了长脉冲高强磁场导体材料的性能要求-高强度高电导率的结合,探讨了粒子强化材料和复合材料的强化机理和降低电阻率方法,回顾了形变Cu基原位复合材料的研究现状,分析了存在的问题和可能的应用场合.
【总页数】8页(P63-70)
【作者】葛继平
【作者单位】大连铁道学院,材料科学与工程系,辽宁,大连,116028
【正文语种】中文
【中图分类】TB331
【相关文献】
1.高强度、高电导率铜基合金材料的研究现状及发展 [J], 徐洪辉;杜勇;陈海林;潘竹;熊伟
2.形变纤维增强高强度高电导率的Cu-Ag合金 [J], 王英民;毛大立
3.高强度、高电导率双相Cu-Ag合金 [J], 彭志辉
4.高强度高电导率Cu-Al_2O_3复合材料的制备 [J], 徐磊;梁淑华;范志康
5.高强度高电导率Cu-Al_2O_3复合材料的制备 [J], 申玉田;崔春翔;孟凡斌;吴人洁
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。