中國儲能網(wǎng)訊：最近，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員史迅、陳立東、曾華榮、副研究員仇鵬飛與美國科羅拉多大學/華中科技大學教授楊榮貴合作，基于對經(jīng)典熱輸運方程的校正，清晰闡述了相變過程中吸放熱對熱流傳輸?shù)挠绊?，發(fā)現(xiàn)相變除了可以影響材料的熱容外，還會顯著地導致材料熱擴散系數(shù)降低這一實驗假象，相變速度越快，熱擴散系數(shù)降低的假象越嚴重。因此，材料相變時的真實熱導率需要同時移除額外增加的熱容和降低的熱擴散系數(shù)的貢獻。這一理解在Cu2Se, Cu2S, Ag2S,和Ag2Se四種相變材料中獲得了實驗驗證。相關研究成果發(fā)表于《先進材料》（Advanced Materials，DOI:adma.201806518）。
熱導率是材料的基本物理屬性之一，在很多領域起著重要甚至決定性的作用。具有高熱導率的材料常在散熱方面用途廣泛，而具有低熱導率的材料則主要應用于隔熱領域。熱導率的定義以及測量均需要絕熱條件，即材料和環(huán)境之間無能量交換，熱量只能沿著材料從高溫傳導至低溫。目前材料熱導率的測試技術已相當成熟，特別針對塊體材料，熱導率相關參數(shù)的測量均已有國際和國家標準，以及成熟的商用儀器。相變是很多材料具有的一項特性。相變材料在固態(tài)存儲、光電開關、能量轉(zhuǎn)換等領域具有廣泛的應用。眾所周知，發(fā)生相變時，材料和環(huán)境之間存在顯著的能量交換，會與熱量的傳遞強烈耦合。因此，材料相變過程中熱導率的理解和測量顯然不同于絕熱條件下的情形，是一個未知而又非?；A和重要的科學問題。對該問題的研究有望帶給人們新的認識并推動相關的應用。特別在現(xiàn)階段，針對材料相變過程中的熱導率，出現(xiàn)了很多不一致甚至完全相對立的理解和實驗數(shù)據(jù)。例如，Cu2S、Ag2S等具有一級相變，其電性能在相變時不存在拐點，很平滑地從低溫相變化至高溫相，但它們的熱導率卻出現(xiàn)了反常的拐點，在相變時低于低溫相和高溫相的數(shù)值；即使對具有二級相變的Cu2Se，采用直接測量的熱容值和杜隆珀替Dulong-Petit理論熱容值分別計算得到的熱導率，在相變區(qū)域具有截然相反的變化趨勢。
高溫下材料的熱導率可由公式k=CP′d′l計算得到，其中CP是熱容，d是密度，l是熱擴散系數(shù)。通常采用激光散射法（LFA）測試熱擴散系數(shù)，阿基米德法測量密度，DSC差示掃描量熱法測量熱容。材料發(fā)生相變時，人們早已知道熱容可以明顯增加，密度的變化很小，可以忽略，而通常認為熱擴散系數(shù)不受影響。
材料相變會吸收或釋放部分熱量，進而無法使用經(jīng)典的熱傳導方程描述相變過程中的熱流輸運。研究團隊引入相變動力學方程進行校正，成功得到了適用于相變過程的熱傳導方程。基于該方程，發(fā)現(xiàn)相變可能會顯著影響材料熱擴散系數(shù)的測量。研究團隊引入了相變反應速率（B因子）來描述相變與熱擴散系數(shù)的關系。當B因子無窮小時，相變對熱擴散系數(shù)的測量無任何影響。當B因子大時，相變在短時間內(nèi)完成，對熱擴散系數(shù)的影響非常大。研究團隊選取了Cu2S，Cu2Se，Ag2S和Ag2Se四種代表性相變材料進行實驗研究，通過DSC差示掃描量熱法表征了相變反應速率。研究發(fā)現(xiàn)，具有較大B因子的Cu2Se和Cu2S在相變過程中對熱擴散系數(shù)顯著降低，而具有較小B因子的Ag2S在相變過程中對熱擴散系數(shù)僅略微降低。對于Ag2Se，B因子非常低，因此相變對熱擴散系數(shù)幾乎無影響。
相變時材料的真實熱導率需要同時去除額外增加的熱容和降低的熱擴散系數(shù)。高溫下材料的定容熱容為杜隆珀替值，因此很容易去除增加的熱容。而對熱擴散系數(shù)，基于校正后的熱輸運方程，可成功從測量的熱擴散系數(shù)中扣除相變的貢獻。采用該方法，成功獲得Cu2S，Cu2Se，Ag2S和Ag2Se四種材料在相變過程中的真實熱導率，其中Cu2Se的熱導率吻合采用表面熱損失法和3ω方法測量的數(shù)值，而校正后Cu2S和Ag2S的熱導率特性則與電輸運性能以及一級相變的特征相一致。研究還發(fā)現(xiàn)，具有一級相變特征的Cu2S，Ag2S和Ag2Se材料在相變過程中熱導率沒有額外變化，從低溫相的數(shù)值直接過渡至高溫相的數(shù)值。但是，具有二級相變特征的Cu2Se在相變過程中熱導率出現(xiàn)顯著降低，在相變臨界點時達到最低點，表明二級相變過程中的臨界漲落可強烈散射聲子，降低熱導率?；谡鎸崯釋视嬎愕玫降腃u2Se在臨界相變點的熱電優(yōu)值為0.86，遠高于相變前后的性能。該工作為解析和調(diào)控熱電材料、相變存儲器材料、太陽能電池材料等在相變過程中的熱傳導提供了新的研究思路和策略。
研究工作得到國家重點研發(fā)專項、國家自然科學基金、中科院重大科研裝備研制項目、中科院青年創(chuàng)新促進會等的資助和支持。
原標題:上海硅酸鹽所等相變過程中材料熱導率研究取得進展
