表面修饰纳米颗粒的热物理性质研究

In order to avoid agglomeration and oxidation of nanoparticles, surface modified nanoparticle has drawn more and more attention. The project is aimed to grasp the impact of surface modifications on the thermophysical properties of nanoparticles, and setup the structure-activity relationship models between the surface modification structures and the thermophysical properties of nanoparticles. Ag, Si, Al2O3, SiO2, and other nanoparticles are selected for study in the project. Focusing on nanoparticle surface adsorption, surface recombination, surface coating and surface grafting four typical surface modifications, the specific heat and the melting point will be carefully studied. Starting with the structure characterized, molecular dynamics and other methods are selected to explore the impact of surface modifications on thermophysical properties of nanoparticles; Based on the properties of atomic vibrations, the solid state physics theory will be applied to establish the structure-activity relationship model between the structure and thermal properties; An indirect measurement on the nanoparticle powder will be carried out, and the impact of the powder density on the physical properties will be estimated by changing the powder density. The measurement result will be compared with the theoretical and the molecular dynamic results. Ultimately, a prediction method for thermophysical properties of the surface modified nanoparticles is expected to be formed.

为了避免纳米颗粒团聚和氧化，表面修饰在纳米颗粒应用领域已经越来越多的受到关注。本项目以掌握表面修饰对纳米颗粒热物理性质的影响，形成表面修饰结构与热物理性间的构效关系模型为目标。以Ag、Si、Al2O3和SiO2等应用较为广泛的纳米颗粒为研究对象，针对纳米颗粒表面吸附、表面复合、表面包覆和表面接枝四类典型表面修饰，主要研究其热物理性质中的比热和熔点。从材料结构表征入手，采用分子动力学方法等模拟表面修饰对纳米颗粒热物理性质的影响；采用固体物理相关理论方法，建立基于原子振动特性的结构与热物理性质间的构效关系模型；采用测量纳米颗粒粉末的办法进行间接实验测量，通过改变粉末密度的办法评估粉末密度对纳米颗粒热物理性质测量的影响，把得到的热物理性质测量结果与理论方法和分子动力学方法等得到的结果进行对比分析。最终形成表面修饰纳米颗粒热物理性质的预测方法。

纳米颗粒已经在光学、摩擦学、纳米流体、绝热材料和蓄热材料等众多领域得到广泛应用。为防止纳米颗粒团聚等，往往对纳米颗粒表面进行修饰，而表面修饰纳米颗粒的热物理性质直接关系到该类材料在相关领域的应用。. 本项目围绕表面修饰纳米颗粒的热物理性质进行研究，重点探讨了比热和热导率两个热物性。1）对于比热，使用理论推导得到了纳米颗粒、空心纳米颗粒和壳-核型纳米颗粒的比热模型，并使用实验方法进行了验证；同时使用实验方法探讨了不同表面修饰，包括表面氧化、表面吸附水和界面等对比热的影响，该研究可以为纳米颗粒在蓄热材料领域的应用提供参考。2）对于热导率，理论分析了中空纳米线这一特殊纳米颗粒热导率的结构依赖性，并使用分子动力学方法进行了验证；同时使用分子动力学方法对表面接枝单链的热导率进行了模拟，分析了支链密度和种类等对单链热导率的影响。3）实验结合理论探讨了粒径分布、孔隙率和界面热阻等因素对纳米颗粒复合材料热导率的影响，建立了宏观纳米颗粒复合材料热导率与微观纳米颗粒热导率之间的关联模型，该研究可以为制备纳米颗粒复合绝热材料等提供指导。. 研究结果表明：1）所有类型的纳米颗粒比热均表现出了显著的尺寸效应，50-nm铜纳米颗粒的比热可以达到相应块体材料比热的2倍；表面吸附水在298-350 K的温度区间内使比热出现局部降低；表面氧化可以使金属纳米颗粒比热增大10余倍；在高温下界面会对比热产生重要影响。2）无量纲化的电子热导率和声子热导率随中空纳米线有效直径增大遵循相同的增长规律；支链会大幅降低单链的热导率，且这一数值会受支链种类和支链密度的影响。3）纳米颗粒掺杂可以显著降低纳米颗粒堆积床的热导率，两相掺杂二氧化硅纳米颗粒堆积床热导率最低可以达到0.018 Wm-1K-1；真空热处理可以显著提高金属纳米颗粒堆积床的热导率。. 依托本项目，培养硕士生7人，第一标注发表SCI期刊论文11篇，申请发明专利3项。