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最近,中国科学院上海硅酸盐研究所研究员史迅、陈立东、曾华荣、副研究员仇鹏飞与美国科罗拉多大学/华中科技大学教授杨荣贵合作,基于对经典热输运方程的校正,清晰阐述了相变过程中吸放热对热流传输的影响,发现相变除了可以影响材料的热容外,还会显著地导致材料热扩散系数降低这一实验假象,相变速度越快,热扩散系数降低的假象越严重。因此,材料相变时的真实热导率需要同时移除额外增加的热容和降低的热扩散系数的贡献。这一理解在Cu2Se, Cu2S, Ag2S,和Ag2Se四种相变材料中获得了实验验证。相关研究成果发表于《先进材料》(Advanced Materials,DOI:adma.201806518)。
热导率是材料的基本物理属性之一,在很多领域起着重要甚至决定性的作用。具有高热导率的材料常在散热方面用途广泛,而具有低热导率的材料则主要应用于隔热领域。热导率的定义以及测量均需要绝热条件,即材料和环境之间无能量交换,热量只能沿着材料从高温传导至低温。目前材料热导率的测试技术已相当成熟,特别针对块体材料,热导率相关参数的测量均已有国际和国家标准,以及成熟的商用仪器。相变是很多材料具有的一项特性。相变材料在固态存储、光电开关、能量转换等领域具有广泛的应用。众所周知,发生相变时,材料和环境之间存在显著的能量交换,会与热量的传递强烈耦合。因此,材料相变过程中热导率的理解和测量显然不同于绝热条件下的情形,是一个未知而又非常基础和重要的科学问题。对该问题的研究有望带给人们新的认识并推动相关的应用。特别在现阶段,针对材料相变过程中的热导率,出现了很多不一致甚至完全相对立的理解和实验数据。例如,Cu2S、Ag2S等具有一级相变,其电性能在相变时不存在拐点,很平滑地从低温相变化至高温相,但它们的热导率却出现了反常的拐点,在相变时低于低温相和高温相的数值;即使对具有二级相变的Cu2Se,采用直接测量的热容值和杜隆珀替Dulong-Petit理论热容值分别计算得到的热导率,在相变区域具有截然相反的变化趋势。
高温下材料的热导率可由公式k=CP′d′l计算得到,其中CP是热容,d是密度,l是热扩散系数。通常采用激光散射法(LFA)测试热扩散系数,阿基米德法测量密度,DSC差示扫描量热法测量热容。材料发生相变时,人们早已知道热容可以明显增加,密度的变化很小,可以忽略,而通常认为热扩散系数不受影响。
材料相变会吸收或释放部分热量,进而无法使用经典的热传导方程描述相变过程中的热流输运。研究团队引入相变动力学方程进行校正,成功得到了适用于相变过程的热传导方程。基于该方程,发现相变可能会显著影响材料热扩散系数的测量。研究团队引入了相变反应速率(B因子)来描述相变与热扩散系数的关系。当B因子无穷小时,相变对热扩散系数的测量无任何影响。当B因子大时,相变在短时间内完成,对热扩散系数的影响非常大。研究团队选取了Cu2S,Cu2Se,Ag2S和Ag2Se四种代表性相变材料进行实验研究,通过DSC差示扫描量热法表征了相变反应速率。研究发现,具有较大B因子的Cu2Se和Cu2S在相变过程中对热扩散系数显著降低,而具有较小B因子的Ag2S在相变过程中对热扩散系数仅略微降低。对于Ag2Se,B因子非常低,因此相变对热扩散系数几乎无影响。
相变时材料的真实热导率需要同时去除额外增加的热容和降低的热扩散系数。高温下材料的定容热容为杜隆珀替值,因此很容易去除增加的热容。而对热扩散系数,基于校正后的热输运方程,可成功从测量的热扩散系数中扣除相变的贡献。采用该方法,成功获得Cu2S,Cu2Se,Ag2S和Ag2Se四种材料在相变过程中的真实热导率,其中Cu2Se的热导率吻合采用表面热损失法和3ω方法测量的数值,而校正后Cu2S和Ag2S的热导率特性则与电输运性能以及一级相变的特征相一致。研究还发现,具有一级相变特征的Cu2S,Ag2S和Ag2Se材料在相变过程中热导率没有额外变化,从低温相的数值直接过渡至高温相的数值。但是,具有二级相变特征的Cu2Se在相变过程中热导率出现显著降低,在相变临界点时达到最低点,表明二级相变过程中的临界涨落可强烈散射声子,降低热导率。基于真实热导率计算得到的Cu2Se在临界相变点的热电优值为0.86,远高于相变前后的性能。该工作为解析和调控热电材料、相变存储器材料、太阳能电池材料等在相变过程中的热传导提供了新的研究思路和策略。
研究工作得到国家重点研发专项、国家自然科学基金、中科院重大科研装备研制项目、中科院青年创新促进会等的资助和支持。
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先进光伏材料光伏材料又称太阳能电池材料,是指能将太阳能直接转换成电能的材料。钙钛矿是目前最为先进的一种光伏材料,光电转换效率在短短几年内就由3.8%上升至22.1%,显示出极大的应用潜力。但其也具有晶体结构不稳定,对湿度、紫外光和温度等环境因素敏感等缺点。目前钙钛矿太阳能电池仍以实验开发
俄罗斯卫星网报道,俄罗斯国家研究型工艺技术大学(NUSTMISIS)节能中心的工作人员研制出了航天器高效热电发生器所需材料的经济快速的制作方法,这种材料可以直接将热能转化为电能。相关文章发表在《材料化学学报A》(JournalofMaterialsChemistryA)上。NUSTMISIS研制出的热电材料含有两种原子:固定
热电材料是一种可将热能与电能相互转换的新型功能材料,利用它可制成温差发电机将热能转化为电能,也可制成制冷机通过电能直接进行制冷。与传统意义上的热机的工作原理不同,此类器件中进行热电转化的物质无需任何机械传动装置,工作中无相变,使得它具有质量轻、体积小、便于携带、工作性能稳定、无噪
美国研究人员发现,采用微波技术可以在很短的时间内低成本生产一种十分重要的热电材料——填隙方钴矿锑化物,这为今后大规模商业化应用热电材料并节省能源打开了大门。该研究成果发表在近期的《材料研究集刊》上。能源短缺问题已成为当今世界最突出的问题,但最令人头痛和尴尬的莫过于能量利用效率不高,浪费惊人。无论是工厂中的各类机械,还是汽车,能量做功的有用效率只有25%,最高也就33.3%,超过60%的能量都作为废热白白浪费掉了。而热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料。1823年,德国物理学家塞贝克发现,当两种不同的导体或半导体在接触点
日前,美国能源部艾姆斯实验室(Ames Laboratory)研发了一种新的合金材料,该材料实现了25%的性能改善,是一种把热能转换为电能的关键材料。这一发明不仅可以应用到普通家用汽车,还可以大规模的应用到军用车辆上。艾姆斯实验室为研发这一材料,得到了多方的联合资助,其中包括美国能源部基础能源科学办公室、材料科学与工程部以及国防高级研究计划局。事实上,热电材料是一种有着广泛应用前景的材料,在环境污染和能源危机日益严重的今天,进行新型热电材料的研究具有很强的现实意义。所谓热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料,1823年发现的塞贝克
中新网7月25日电 日本大阪大学和美国俄亥俄州立大学等组成的研究小组成功将“热电材料”的能量转换率提高了一倍。 美国《科学》杂志电子版25日登载了相关论文。 据日本共同社25日报道,热电材料是一种能将热能转化为电能的半导体,在汽车引擎等数百度高温工作环境中的能量转换率最高。由于引擎会向外散发大量热,用这种材料附包裹引擎可将热能转换为电能加以有效利用。 大阪大学助教黑崎健表示:“以前效率低下不能达到实用水平。这项技术可以应用到环保车型等领域。” 研究小组在一种叫铅碲的物
日前,由西北院牵头总承包的青海德令哈光储热一体化200万千瓦(光热20万千瓦)工程吸热塔基础开仓浇筑,这标志着全球在建单机最大的塔式光热发电项目吸热塔主体工程施工拉开序幕。经过长达24小时的连续施工,吸热塔基础混凝土顺利浇筑完成。为了确保吸热塔基础顺利浇筑完成,西北院EPC联合体总承包项目部
北极星储能网获悉,近日,济南市政府印发《济南市2024年国民经济和社会发展计划》。《计划》提出,2024年济南将加快新能源项目建设。有序推进分布式光伏开发建设,继续推进整县(区)屋顶分布式光伏规模化开发。加快新型储能推广应用,推进蓝海领航智慧能源中心储能项目等3个省新型储能示范项目建成并
3月13日,由中国电建西北院牵头EPC总承包的全球在建单机最大的塔式光热发电项目——中广核新能源青海德令哈光储热一体化200万千瓦(光热20万千瓦)项目举行开工活动,标志着国内储能配比率最高的光热储多能互补项目正式开工。该项目位于青海省海西州德令哈市光伏(光热)产业园区,规划面积约5.3万亩。项
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3月7日,河北公司龙山电厂抽汽蓄能项目首根桩基顺利浇筑完成,标志着工程吹响全面加速建设号角。项目主体工程划分为储能换热厂房、熔盐储罐两个区域,共计848根桩基,桩基为直径0.6米钻孔灌注桩,最大桩长达15米,预计工期20天。为保证工期进度和施工安全,该厂严格落实集团公司工程建设要求,做好统筹
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北极星储能网获悉,12月21日,江苏省政府印发《江苏省加强基础研究行动方案》,在重点方向中包含新能源与储能。其中提到,开展高效低成本规模化绿氢制取及储运、钙钛矿/叠层光伏、水伏能量转换、高能量密度储能、高安全低成本长寿命储能、零碳排放能源系统等前沿科技问题研究,实现能源系统深度数字化
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北极星储能网获悉,12月19日,青海盐湖创融黄河水电察尔汗工业园53万千瓦源网荷储项目环评公示,项目位于青海海西州格尔木市,总投资24.3亿元,由青海盐湖创融投资有限公司投建,该公司是由青海盐湖工业股份有限公司和青海黄河上游水电开发有限责任公司共同持股。项目电源侧建设总规模530MW光伏,其中
12月15日,哈尔滨广瀚动力技术发展有限公司收到了奎屯市东工业园150MW/8h/1200MWh储热型共享储能电站(“设计—采购—施工EPC总承包”)项目的中标通知书,成功承接该项目的设计-采购-施工EPC总承包,合同金额6.36亿元。储热型共享储能电站是蒸汽动力事业部紧跟国家双碳战略举措、结合新能源储能技术发
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