纳米材料相变
相变原理的例子
相变原理的例子相变原理是物质在特定条件下由一种状态转变为另一种状态的物理现象。
在相变过程中，物质的性质和结构发生改变，常常伴随着热量的吸收或释放。
下面以不同的实例来解释相变原理。
1. 水的沸腾：当水加热到100摄氏度时，水开始发生相变，液态的水转变为气态的水蒸气。
这个过程中，水分子吸收热能，使水分子的平均动能增加，从而脱离液态形成气态。
2. 冰的融化：当将固态的冰加热到0摄氏度时，冰开始发生相变，固态的冰转变为液态的水。
在这个过程中，冰吸收热量，使冰分子的平均动能增加，从而使冰分子间的结构松散，形成液态的水。
3. 冰的升华：当将固态的冰暴露在低于0摄氏度的环境中，冰开始发生相变，固态的冰直接转变为气态的水蒸气，而不经过液态。
在这个过程中，冰分子从固态直接转变为气态，不经过液态的中间过程。
4. 液体金属的固化：一些金属在特定的温度下可以发生相变，从液态转变为固态。
例如，液态的铝在冷却到660摄氏度时，会发生相变，形成固态的铝。
5. 磁体的顺磁-铁磁相变：在一些材料中，当温度改变时，其磁性也会发生变化。
例如，铁在高温下是顺磁性的，但在低温下会发生相变，变为铁磁性。
6. 合金的熔点降低：合金是由两种或多种金属混合而成的材料。
当不同种类的金属混合时，会导致熔点的降低。
这是因为不同种类的金属在原子层面上的结构差异，使得合金的晶格结构更加复杂，从而降低了熔点。
7. 纳米材料的相变：纳米材料是具有纳米尺度特征的材料。
由于其尺寸较小，表面积较大，纳米材料在相变过程中会呈现出独特的性质。
例如，纳米金颗粒在相变过程中的熔化点会降低，同时纳米材料也会呈现出更高的熔化潜热。
8. 超导材料的相变：超导材料是一种在低温下具有零电阻特性的材料。
当超导材料被冷却到临界温度以下时，会发生相变，电阻突然消失。
9. 玻璃的相变：玻璃是一种非晶态的固体材料，其分子结构没有长程的周期性。
当玻璃被加热时，会发生玻璃相变，从非晶态转变为液态。
纳米材料基础-电学性质
纳米材料的电学性质从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在０.１微米以下（注１米＝１００厘米，１厘米＝１００００微米，１微米＝１０００纳米，１纳米＝１０埃），即１００纳米以下。
因此，颗粒尺寸在１～１００纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。
纳米金属材料是２０世纪８０年代中期研制成功的，后来相继问世的有纳米半导体薄膜、纳米陶瓷、纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等。
纳米级结构材料简称为纳米材料(nanomaterial)，是指其结构单元的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间。
由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。
并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。
纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子(nano particle)组成。
纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。
当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。
纳米技术的广义范围可包括纳米材料技术及纳米加工技术、纳米测量技术、纳米应用技术等方面。
其中纳米材料技术着重于纳米功能性材料的生产（超微粉、镀膜、纳米改性材料等），性能检测技术（化学组成、微结构、表面形态、物、化、电、磁、热及光学等性能）。
本文主要讲述纳米材料的电学性质。
纳米材料的电学性质主要从两个方面讲述：导电性，电荷载流子是电子和阴离子，阳离子，以及电子空穴。
节点性，绝缘体（电介质），在外电场作用下内部电场不为零，正负电荷分布的中心分离，产生点偶极矩，即发生电极化。
纳米材料物理热学性质
纳米材料的热学性质纳米材料是一种既不同于晶态，又不同于非晶态的第三类固体材料，通常指三维空间尺寸至少有一维处于纳米量级 ( 1 n m～1 0 0 n m)的固体材料。
由于纳米材料粒径小，比表面积大，处于粒子表面无序排列的原子百分比高达 l 5 ～5 0 ％。
纳米粒子的这种特殊结构导致其具有不同于传统材料的物理化学特性。
纳米材料的高浓度界面及原子能级的特殊结构使其具有不同于常规块体材料和单个分子的性质，纳米材料具有表面效应，体积效应，量子尺寸效应宏观量子隧道效应等，从而使得纳米材料热力学性质具有特殊性，纳米材料的各种热力学性质如晶格参数，结合能，熔点，熔解焓，熔解熵，热容等均显示出尺寸效应和形状效应。
可见，纳米材料热力学性质在各方面均显现出与块体材料的差异性，研究纳米材料的热力学性质具有极其重要的科学意义和应用价值。
一热容1996年，在低温下测定了纳米铁随粒度变化的比热，发现与正常的多晶铁相比，纳米铁出现了反常的比热行为，低温下的电子比热系数减50 %。
1998年，通过研究了粒度和温度对纳米粒子热容的影响，建立了一个预测热容的理论模型，结果表明:过剩的热容并不正比于纳米粒子的比表面，当比表面远小于其物质的特征表面积时，过剩的热容可以认为与粒度无关。
2002年，又把多相纳米体系的热容定义为体相和表面相的热容之和，因为表面热容为负值，所以随着粒径的减小和界面面积的扩大，将导致多相纳米体系总的热容的减小，二.晶格参数，结合能，内聚能纳米微粒的晶格畸变具有尺寸效应，利用惰性气体蒸发的方法在高分子基体上制备了1. 45nm 的pd纳米微粒，通过电子微衍射方法测试了其晶格参数，发现 Pd 纳米微粒的晶格参数随着微粒尺寸的减小而降低。
结合能的确比相应块体材料的结合能要低。
通过分子动力学方法，模拟 Pd 纳米微粒在热力学平衡时的稳定结构，并计算微粒尺寸和形状对晶格参数和结合能的影响，定量给出形状对晶格参数和结合能变化量的贡献研究表明:在一定的形状下，纳米微粒的晶格参数和结合能随着微粒尺寸的减小而降低，在一定尺寸时，球形纳米微粒的晶格参数和结合能要高于立方体形纳米微粒的相应量。
纳米材料的热力学性能研究
纳米材料的热力学性能研究纳米材料在科学和工程领域中引起了广泛的兴趣和重要性。
它们在材料科学、物理学、化学、生物学等各个领域都有广泛的应用。
其中，研究纳米材料的热力学性能对于深入理解其物理和化学性质至关重要。
热力学是研究能量转化和能量传递过程的学科，可以帮助我们了解纳米材料在不同温度和压力条件下的行为。
纳米材料的热力学性能与其微观结构以及相互作用有密切关系，因此，准确测量和理解其热力学性质对于纳米材料的设计和应用具有重要意义。
首先，纳米材料的热容量是一个重要参数，它描述了材料在温度变化时吸收或释放的热量。
研究人员发现，纳米材料的热容量与其体积有关，通常随着粒子尺寸的减小而降低。
这是由于纳米材料的表面积相对较大，与周围环境的相互作用增强，因此在温度升高时吸收的热量更少。
了解纳米材料的热容量可以帮助我们优化其在热管理、储能和传感器等领域的应用。
其次，纳米材料的热导率也是一个重要的热力学性质。
热导率描述了材料传导热量的能力，与纳米材料的结晶度、晶体缺陷和界面特性等因素有关。
近年来，研究人员开发了多种方法来测量纳米材料的热导率，包括热膨胀法、热电法和红外光谱法等。
通过研究纳米材料的热导率，我们可以更好地了解其在导热材料、热散热器和热电转换器等领域的应用潜力。
此外，纳米材料的相变行为也是研究的重点之一。
相变是物质从一种状态转换为另一种状态的过程，如固-液相变、固-气相变等。
由于纳米材料的尺寸和表面效应的影响，其相变行为可能与宏观材料有所不同。
例如，纳米材料可以表现出更高或更低的熔点、沸点，以及不同的晶体结构。
了解纳米材料的相变行为对于制备高性能材料和探索新的应用场景具有重要意义。
最后，纳米材料的热稳定性也是研究的关键。
热稳定性描述了材料在高温条件下其结构和性质的变化程度。
纳米材料通常具有更高的表面能量和较大的晶格畸变，因此在高温下更容易发生结构破坏和相变。
了解纳米材料的热稳定性可以帮助我们在高温环境下选择合适的材料，并优化纳米材料的热性能。
纳米共晶相变储能材料
纳米共晶相变储能材料
纳米共晶相变储能材料是一种新型的储能材料，它由纳米颗粒和共晶相变材料组成。
共晶相变是指在固态与液态之间的相变过程，当材料受到外界能量加热时，其纳米颗粒开始熔化并在短时间内释放出大量能量。
这种相变储能材料具有高能量密度、快速充放电、长周期使用寿命等优点。
纳米共晶相变储能材料可以应用于电池、超级电容器、热电设备等领域。
在电池中，纳米共晶相变材料可以作为正极材料，提供高能量密度和快速充放电的能力。
在超级电容器中，它可以增加储能容量和提供高功率输出。
在热电设备中，纳米共晶相变材料可以转换热能为电能，提高能量转化效率。
然而，纳米共晶相变储能材料还存在一些挑战。
首先，纳米颗粒的制备和分散难度较大，需要精确控制颗粒尺寸和形态。
其次，相变过程中的热膨胀会导致材料的疲劳和损坏。
此外，纳米共晶相变储能材料中可能存在的溶解、反应和腐蚀问题也需要解决。
总的来说，纳米共晶相变储能材料具有很大的应用潜力，但还需要进一步研究和开发，以克服其存在的问题并实现商业化应用。
纳米技术在相变储热领域的应用
储热技术发 展的主要 因素之一是高性 能 、低成本相 变材料的缺 乏 。纳米技 术的迅速发 展为高性能相 变 材料的研制提供了一条新途径 。 Ｊ 纳米技术 是指在纳 米尺度范 围内 ，通过操 纵原
子 、分子 、原子 团或 分子 团使其 重新排列组 合成新
摘 要： 将纳米技术 ， 尤其是纳米材料制备技术应 用于相 变储热领域 ，可 以 到纳米胶囊相变材料、纳米复合 得 相 变材料 以及纳米高温相变材料。纳米级相变 材料 的开发将拓宽相 变储 热技术的应用领 域。本文综述 了纳米胶 囊相变材料 、纳米复合相变材料和 纳米 高温相 变材料 的研 究进 展 ，介绍 了纳米相变材料 的应用 。
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纳米相变材料
纳米相变材料的制备方法
溶胶-凝胶法
将原料溶液通过溶胶-凝胶反应 转化为凝胶，再经过干燥、热处 理等工序制备出纳米相变材料。
微乳液法
利用两种互不相溶的溶剂在表面 活性剂的作用下形成微乳液，通 过控制反应条件制备出纳米相变
• 纳米相变材料在智能调温纺织品中的应用研究：智能调温纺织品能够根据外界 环境温度自动调节纤维内部的热量流动，为穿着者提供舒适的温度环境。纳米 相变材料作为智能调温纺织品的理想材料之一，具有优异的热储存和释放性能 。科研人员针对纳米相变材料在智能调温纺织品中的应用进行了大量研究，开 发出了多种高性能的智能调温纺织品。
04 纳米相变材料的研究进展 与挑战
研究进展与成果
• 纳米相变材料在储能领域的应用研究：随着能源需求的增长，储能技术越来越 受到重视。纳米相变材料因其高能量密度和良好的循环性能，在储能领域具有 广阔的应用前景。近年来，科研人员对纳米相变材料的制备技术、性能优化以 及储能系统设计等方面进行了深入研究，取得了一系列重要的研究成果。
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纳米相变材料的优势
01
02
03
高储能密度
纳米相变材料具有较高的 储能密度，能够在较小的 体积内储存大量的热量。
长寿命
相较于传统相变材料，纳 米相变材料的寿命更长， 能够保证长期使用的稳定 性和可靠性。
可控性强
通过改变纳米相变材料的 制备工艺和组分，可以实 现对相变温度和相变焓的 精确调控。
02 纳米相变材料的种类与特 性
相变材料的重要性
节能环保
相变材料在储能和温度调控方面 具有广泛应用，能够提高能源利 用效率，减少能源浪费和环境污
纳米相变材料
纳米相变材料相变材料应具有以下几个特点相变材料应具有以下几个特点：凝固熔化温度窄，相变潜热高，导热率高，比热大，凝固时无过冷或过冷度极小，化学性能稳定，室温下蒸汽压低。
此外，相变材料还需与建筑材料相容，可被吸收。
3相变储能材料的特点作为相变材料主要应满足的要求有：合乎需要的相变温度：足够大的相变潜热：性能稳定，可反复使用；相变时的膨胀收缩性小；导热性好，相变速度快；相变可逆性好，原料廉价易得等。
绝大多数无机物相变材料具有腐蚀性，相变过程中存在过冷和相分离的缺点。
为防止无机物相变材料的腐蚀性。
储热系统必须采用不锈钢等特殊材料制造，从而增加了制造成本：为抑制无机物相变材料在相变过程中的过冷和相分离，需通过大量试验研究，寻求好的成核剂和稳定剂。
而有机物相变材料则热导率较低。
相变过程中的传热性能差，在实际应用中通常采用添加高热导率材料如：铜粉、铝粉或石墨等作为填充物以提高热导率。
或采用翅片管换热器，依靠换热面积的增加来提高传热性能，但这些强化传热的方法均未能解决有机相变材料热导率低的本质问题。
固一液相变材料主要优点是价格便宜，但是存在过冷和相分离现象，从而导致储能不理想：易产生泄露问题，污染环境；腐蚀性较大，封装容器价格高等缺点。
与固一液相变材料相比，固一固相变材料具有不少优点。
可以直接加T成型，不需容器盛装：固一固相变材料膨胀系数较小，相变时体积变化较小：不存在过冷和相分离现象，不需要加入(转载于: 写论文网:纳米相变材料)防过冷剂和防相分离剂；毒性很低，腐蚀性很小；无泄露问题，对环境不产生污染；组成稳定，相变可逆性好，使用寿命长：装置简单，使用方便。
固一固相变材料主要缺点是相变潜热较低，价格较高。
4 应用展望相变储能材料的开发已逐步进入实用阶段，主要用于控制反应温度、利用太阳能、储存工业反应中的余热和废热。
低温储能主要用于废热回收、太阳能储存及供暖和空调系统。
高温储能用于热机、太阳能电站、磁流体发电及人造卫星等方面。
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纳米材料相变
一、纳米金属结构与相变
1、纳米金属颗粒的结构受周围条件的影响而呈现不同，高温相容易呈现热稳定化。
比如：≤20nm的Co颗粒在室温下呈fcc晶体结构，而这正是大块的Co颗粒在420℃以下才呈现的稳定的结构。
比如：从Cu-Fe合中时效析出的γ-Fe固溶体（2～20nm）与基体共格（同为fcc结构），如将析出相剥离基体萃取出来，则呈现为fcc结构，但部分残留下来的Y—Fe固溶体(奥氏体)冷致液氦温度也不转变。
2、晶体结构决定于晶粒大小
比如经机械合金化（MA）球磨所得到10nm的γ-Fe粉，经570～670K退火1h在bcc晶界处原子重排，呈现具有磁性的有序γ-Fe，而这种γ-Fe比较稳定，但经920K退火1h由于界粒长大至几十纳米，而导致了γ→α的转变，γ-Fe 不复存在。
二、纳米材料的马氏体相变
1、Ms值受晶粒大小及制备方法的影响
比如：①以氢等离与金属反应方法制备的20～200nm直径的Fe-Ni （11.9at%～35.2at％Ni）颗粒；②在溅射所得Fe-Ni薄膜和蒸发沉积Fe-Ni薄膜的纳米颗粒（＜10nm＝；③以悬浮凝固（液N冷却）得到Fe（25～35％w）Ni 超细粉（10～200nm）；④以机械合金化（MA）制备Fe l00-x Ni x纳米晶。
这些均表明与γ区溶解度较大块的Fe-Ni（α含10at％Ni γ含20at％Fe）要大，并且纳米晶体的尺寸效应抑制了γ→α的相变，但对α→γ逆相变几乎无影响。
又比如：以磁控溅射法制成纳米颗粒（10nm）Fe-Ni薄膜（KCl）基片得到≤36at％Ni合金呈bcc结构，≥60at％Ni合金呈fcc结构，（36～60）at％Ni间的合金为混合结构；其α区和γ区不但较大块的合金的宽得很多，也较上述不同方法制备的Fe-N1合金为大。
将Fe-32at％Ni和Fe-46at％Ni合金试样在TEM中加热至573～773K，保温20min后观察伴随颗粒的长大而发生逆相变。
逆相变的开始温度As与大块的相近，自773K冷致室温仍保持fcc结构；进一步冷却至77K，其结构和组织并不改变。
这表明薄膜应力状态对结构有一定的影响。
三、纳米材料的扩散型相变
1、纳米级薄膜材料，晶界溶质偏聚使脱溶沉淀异常
这方面的报道很少，我国最年轻的科学院士Al-Cu在心Cu合金脱溶沉淀方面的研究属这方面的工作。
Lokker以磁控溅射制备的A1-Cu(0.3at％Cu和1at％Cu)薄膜（厚度50nm），有衬底的晶粒为60～250nm；无衬底的为30～120nm，研究其经过323K～773K 间热循环后相变，热循环后有衬底的晶粒为1μm，无衬底的为0.5～2.2μm。
①发现经加热至773K慢冷后都发生脱溶沉淀，而在铝晶粒内未见沉淀，冷却到室温后，大量的Cu（约0.2at％）不含在第二相中，（而大块的A1-Cu合金中仅有0.001at％Cu不含在第二相中）。
②第二相粒子为非共格的A12Cu无中间相形成（而大块的A1-Cu合金A12Cu第二相粒子与基体共格，且有中间相形成）。
上述研究揭示出了对于纳米级薄膜材料主要是晶界上的溶质偏聚使其脱溶沉淀出现异常现象。
2、纳米材料的制备方法不同导致的扩散型相变
Chatterjee等利用机械合金化制备Nb80A120纳米材料发现迄今未知的Nb的因素异构相变，bcc-fcc。
这是由于按此法制备纳米材料会引入众多的缺陷，无异提高温度会增加扩散率，因而引发同素异构相变。
Chanerjee以点阵膨胀作为静压负值进行分析，认为按Gibbs-Thompson，公式：晶粒减小表面能增大及摩尔体积增高使△G↑导致bcc失稳，发生同素异构相变。
四、纳米材料相变的理论模型
1、Kitakami等人认为，不同大小纳米尺寸的CO粒呈现不同结构是由于它们的能量随CO晶粒尺寸的变化不同所致，他们用细粒的CO在不同晶态时的能量随晶粒直径的变化企图说明晶粒尺寸对结构的影响。
不能做为普通的理论模型。
2、Suzuki等认：设想小晶体的表面形成漩涡进行M相变，并用嵌入原子法模拟Fe晶体相变，说明晶粒愈小其γ-α。
相变的温度愈低。
为了便于理论处理，设想纳米晶体不存在缺陷，巧妙地用Barin应变，属创见，但无法扩认。
3、徐相跃课题组——纳米金属相变热力学模型
以Fe为例计算结果表明：一般由于晶体粒细化使晶体膨胀△V不大于0.3，因此当Fe晶粒小于50mn时，γ-Fe可在室温稳定存在。
由这个热力学推导得出细晶γ-Fe的自由能比较高还能解释纳米晶不阻碍逆相变的进行，这个热力学计算方法也可应用于其它元素。