文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:
小尺寸铝纳米团簇的相变行为
冯黛丽,冯妍卉*,张欣欣
(北京科技大学热科学与能源工程系,北京,100083)
(010-62333874, *******@.)
摘要:本文采用分子动力学方法模拟了小尺寸铝纳米团簇的熔化、凝固行为。基于势能-温度曲线、热容-温度曲线分析,获得了熔点、凝固点与尺寸的关系。研究表明,铝纳米团簇在小于一定尺寸时,熔点和凝固点出现无规律的异常变化;而大于该尺寸时,熔凝固点随着团簇尺寸的减小而单调下降;同时,铝纳米团簇呈现出凝固滞后现象,即凝固点低于熔点。本文尝试从表面能理论、小尺寸效应进一步分析了铝团簇的相变行为。
关键词:纳米团簇;熔点;凝固点;表面能;分子动力学
0 前言
纳米团簇[1]通常由几个到几百个甚至上万个原子构成,直径在1-100nm,这类零维材料表现出既异于单个原子,也不同于大块晶体的物理和化学性质。纳米团簇作为凝聚态物质的初始形态,在各种物质由原子分子向大块材料转变过程中起着至关重要的作用。而且,随着纳米材料的发展和相变蓄热/储能的需要,金属纳米团簇已成功应用于复合相变材料的制备,在优化、改善相变材料性能方面成效显著[2]。因此,我们开始考虑将纳米团簇作为相变填充物,与纳米孔多孔基材进行组装,有望制备出高导热、高储热能力的纳米复合相变材料。
鉴于微观实验的高难度,目前金属纳米团簇相变行为的研究主要采用理论分析和分子动力学模拟(MD)的方法。如,Lewis[3]开展的金团簇熔化和凝固的分子动力学模拟,显示出熔点和凝固点的差异,凝固过程发生了滞后。Reyes-Nava[4]发现超过一定原子数的钠团簇在熔点附近出现了负热容现象。Kirchhoff[5]采用紧束缚模型研究了金团簇相变的热膨胀系数等动力学特性。还有不少研究揭示了纳米团簇物性的尺度效应,如:小颗粒金团簇的熔化[6],铜团簇的熔点和凝固点[7],都具有团簇尺度依赖性。针对尺寸较大(直径大于5nm)的金属团簇的相变,人们已尝试开展实验研究,如采用X射线衍射、扫描电镜、量热计、透射电镜等方法,测试了金[8],银[9],铟[10],锡[11]和铅[12]等金属团簇的熔化特性。然而,现有的数值分析的结果还未能和实验值相互验证,彼此的结论也相去甚远。
综上所述,目前研究者更多是关注贵金属(如:铂、金、银以及铜)的熔凝特性。而仅有的一些铝团簇相变的研究多采用实验手段[13,14],理论探讨不足,仅见Alavi等人的报道[15];且受实验条件的制约,铝团簇测试样品多为直径在几十纳米的大尺
基金项目:(, )
寸团簇。而纳米团簇若作为纳米复合相变材料的填充相,其尺度受限于基材纳米孔道的尺度、团簇在孔道内的填充率和填充状态,小尺度纳米团簇将普遍存在。因此,本文针对小尺寸的铝纳米团簇,对其熔化、凝固特性开展分子动力学模拟与分析。团簇原子数在14到555之间。本文工作以期为纳米复合相变材料中纳米相变填充物的热设计和制备提供一定理论和参数。
1 团簇结构的重构
分别构造出含不同原子数(即不同尺寸)的铝团簇,如图1所示。任意一个含N原子的铝纳米团簇都是从具有面心立方体(FCC)结构的铝晶体中截取出来的。得到团簇的初始结构之后,