PDF《相变材料热物理性质的分子动力学模拟*》

物理学报Acta Phys.

Sin. Vol. 62, No.

5 (2013)

056601 相变材料热物理性质的分子动力学模拟* 饶中浩 汪双凤? 张艳来 彭飞飞 蔡颂恒 ( 华南理工大学化学与化工学院, 传热强化与过程节能教育部重点实验室, 广州

510640 ) (

2012 年8月23 日收到;

2012 年10 月8日收到修改稿 ) 为从微观尺度探寻相变材料的热物性变化机理, 本文采用分子动力学的方法, 构建了由正二十二烷组成的无定 形结构的相变材料体系, 采用周期性边界条件以及 COMPASS 力场对相变材料的比热以及导热系数进行了模拟, 并 对纯正二十二烷进行了 DSC 测试. 结果表明, 模拟所得的相变材料热容与文献实验值的偏差是 6.5%, 熔点与 DSC 实验值的偏差是 0.98%. 当温度为 288―318 K 时, 相变材料的导热系数在 0.1―0.4 W・m?1・K?1 范围内波动, 且随着 压力增大略呈下降趋势. 关键词: 扩散系数, 比热, 导热系数, 分子动力学 PACS: 66.30.Xj, 31.15.xv DOI: 10.7498/aps.62.056601

1 引言在能源短缺和环境污染的双重压力下, 节能减 排日益重要. 因具有潜热大等优点, 相变材料在建 筑节能、太阳能储存、蓄冷、电池热管理等领域 的研究已越来越受重视 [1,2]. 由于综合性能好, 石蜡 (主要成分是直链烷烃) 已被广泛用作定形相变材 料以及各种微纳米胶囊相变材料的基材或芯材. 近 年来, 围绕着烷烃类相变材料的制备、表征以及传 热强化等工作, 无论是实验研究, 还是数值模拟, 均 取得较大进展. 对相变材料热物性的研究, 如相变 温度、潜热, 导热系数等, 目前主要采用实验的方 法, 采用如差示扫描量热仪以及导热系数测试仪等, 其主要缺点是设备昂贵, 不宜普遍. 另外, 对于二元 或多元复合相变材料, 某些热物性测试时, 样品用 量仅为毫克级, 因分散不均等带来的误差较难避免. 因此, 有必要从相变材料的机理出发, 采用计算的 办法获得热物性参数, 进而指导材料设计. 分子动力学方法作为有效的材料微观分析手 段, 在材料的热物性研究方面, 已经取得较大进展, 如金属纳米颗粒的等温晶化过程 [3]、纳米线的熔 化行为 [4] 以及某些纳米材料的热导率的分子动力 学模拟等 [5]. 随着分子动力学方法的发展, 在烷烃 类相变材料的微观研究方面, 已经出现一些有意义 的探索. 殷开梁等 [6] 曾采用分子动力学模拟的方 法, 计算了正十六烷体系的热容和自扩散系数并据 此得到了正十六烷的凝点. 刘朝等 [7] 也根据分子动 力学的模拟结果, 结合体系自扩散系数和比体积随 温度的突变关系, 获得了十七烷、十五烷以及不同 比例的二元混合体系的相变温度. 在我们的前期研 究工作 [8] 中, 以正十九烷为相变材料, 对其在高压 环境下的融化与凝固行为均进行了分子动力学模 拟. 在相变材料的应用中, 相变温度、比热、导热 系数等都是重要的热物性参数, 但由于相变材料在 相变前后受温度、压力等的影响较大, 因此, 采用 分子动力学的方法对相变材料的比热和导热系数 进行分析的工作目前并未见报道. 本文以电动汽车 动力电池热管理相变材料 (Tm:35―45 ?C) 为背景, 构建了基于正二十二烷的相变材料分子体系, 对相 变材料的相变温度、比热以及导热系数等热物性 参数进行了分子动力学模拟.

2 模型与方法 采用经典分子动力学的方法进行模拟. 相变 * 国家自然科学基金 (批准号: 51276068) 资助的课题. ? 通讯作者. E-mail: sfwang@scut.edu.cn c ?