NANO RES|赤藓糖醇与纳米颗粒的相互作用使其在界面处的局部热导率显著增强

研究背景

由于尺寸效应和表面效应，纳米材料具有优异的物理和化学性能，并因其优异的物理和化学性能被广泛应用于储能、催化反应、环境保护等领域。当纳米材料用于储热时，通常将其与有机相变材料(PCMs)混合，制备出具有高导热性的复合PCMs。然而，纳米颗粒的加入不可避免地引入了界面。由于纳米复合材料的内部界面密度远高于传统复合材料，因此界面对纳米复合材料的性能起着重要作用。一般认为，纳米粒子和PCM之间声子振动频率的不匹配会阻碍声子在界面上的传输，这通常用一个称为界面热阻(ITR)的参数来描述。以往的研究主要集中在消除复合PCM界面声子振动频率的不匹配(即降低ITR)。利用分子动力学(MD)模拟方法，计算声子态密度(PDOS)和重叠能，分析界面处的ITR。MD模拟发现，随着层数的增加，石墨烯与赤藓糖醇之间声子振动的匹配程度提高，从而促进了界面热输运。糖醇和碳基纳米添加剂(CBN)之间的ITR效应可以通过改变CBN的尺寸和类型来降低。另一项研究证明，碳纳米管长度的增加和聚氨酯分子链数量的增加会导致碳纳米管与聚氨酯分子链之间的ITR减小。

本文采用熔融共混的方法，在赤藓糖醇中加入SiC、SiO2和Si3N4纳米颗粒，制备了三种复合PCMs，分别为Ery@SiC、Ery@SiO2和Ery@Si3N4。采用SThM方法研究了赤藓糖醇在复合PCMs中界面处和远离界面处的局部热导率和降低杨氏模量(E*)。探讨了E*与导热系数的关系，分析了纳米颗粒对赤藓糖醇固有导热系数的作用机理。

相关成果以“

Significant enhancement in local thermal conductivity of

研究结论

综上所述，通过研究复合材料的微观热传导行为和相关力学性能，了解纳米颗粒增强复合材料导热性能的机理。采用SThM方法，选择界面和远离界面的位置，测量三种复合pcm的局部导热系数和E*。结果表明，界面处赤藓糖醇的导热系数和E*均高于远离界面处的赤藓糖醇。通过对整体导热系数和局部导热系数的比较，揭示了界面吸附层对复合PCMs的热传导起着重要的作用。E*与导热系数之间存在明显的正相关关系，说明吸附层中赤藓糖醇的局部导热系数因其有序性增强而得到改善，这被认为是复合PCMs导热系数高于纯赤藓糖醇的原因。对于不同类型的复合PCMs, MD模拟进一步证实了赤藓糖醇的固有热导率和E*的增加归因于赤藓糖醇与纳米粒子之间相互作用能的增加，因为更多的赤藓糖醇声子振动从局域模式转变为非局域模式，赤藓糖醇在界面处具有更高的密度。这项研究证明，即使纳米颗粒掺杂比例较小，界面也能通过影响PCM的力学性能显著提高PCM的固有导热系数，从而提高复合PCM的导热系数。相比于通过高负载形成的导电网络材料增强导热性，较低的载荷对PCM固有热导率的增强对促进储热释放过程更有意义，因为较低的载荷意味着引入的界面热阻更小，允许更多的热量通过PCM本身传递。这些研究结果将为高导电性储能复合材料的设计提供新的思路。

主要数据

图1 SThM测量原理。(a) SThM原理图。(b)测量导热系数的代表性U-D曲线，插入部分显示探针的移动裂纹(沿垂直方向)。(c)测量E*的代表性F-D曲线。(d) SThM校准的实验数据和拟合曲线。

图2复合PCMs的微观形貌和化学成分。(a) Ery@SiC， (b) Ery@SiO2， (c) Ery@Si3N4的SEM图像。(a)所示为(d)硅、(e)碳、(f)氧Ery@SiC的EDS元素谱。(g)纯赤藓糖醇和复合PCMs的XRD谱图。

图3测量导热系数的温升与频率曲线。(a)纯赤藓糖醇，(b) Ery@SiC， (c) Ery@SiO2和(d) Ery@Si3N4。

图4 Ery@SiC的SThM测量结果。(a) Ery@SiC中聚集的纳米颗粒的形貌和(b)热对比图像。(c)纳米颗粒截面高度曲线。(d)输出电压和(e)输出高度从左右两侧接近接口时的变化曲线。(f)计算多个位置的导热系数和E*。误差条表示三种测量结果的标准差。

图5 样品地形图和热对比图。(a)、(b) Ery@SiC (c), (d) Ery@SiO2, (e), (f) Ery@Si3N4 (g),纯赤藓糖醇(h)。插入片显示样品固化在云母基底上，粘在铁载玻片上。

图6 MD仿真及与测量结果对比。(a)三种复合PCMs的界面模型。(b)各复合PCM界面区域赤藓糖醇的计算密度。(c)各复合PCM的相互作用能和λ界面。(d)纯赤藓糖醇和赤藓糖醇在各复合PCM界面处的PPR。(e)各复合PCM中的Δλ和ΔE*。误差条表示三种测量结果的标准差。

https://doi.org/10.1007/s12274-024-6690-6

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