纳米铝颗粒在不同炸药环境中氧化燃烧的分子动力学模拟

为探索炸药环境对纳米铝颗粒(ANP)氧化燃烧的影响,采用分子动力学模拟方法,研究了程序升温加热、恒温加热及绝热加热下ANP在硝化甘油(NG)、黑索今(RDX)和三氨基三硝基苯(TATB)环境中的氧化燃烧机理。结果表明,NG、RDX和TATB对ANP的氧化性依次减弱,对燃烧的微观机制产生了不同的影响。在氧化形貌上,随着炸药环境氧化性的减弱,ANP在急速升温下发生崩裂的程度减弱,氧化速度变慢,最终形成的Al团簇中Al原子的主要配位数从NG环境中的7配位下降为TATB环境中的6配位。并且在TATB环境中,ANP上解离的Al原子在环境中形成了原子数约为100的大团簇结构,这也抑制了ANP的氧化进程。在团簇数量上,程序升温加热下不同炸药环境间的差异较小。而在恒温加热和绝热加热下,随着炸药环境氧化性的减弱,ANP崩裂后形成的Al团簇数量减少,并且由于小Al团簇在氧化性弱的环境中不易团聚,此后Al团簇数量会在短时间内持续增加。在化学反应特性上,NG环境中的ANP主要与炸药分解的含氧产物反应,导致形成的Al团簇氧化更加完全。而在RDX和TATB环境中,ANP还能与N2、CN等不含氧产物发生大量反应,导致形成的Al团簇中包含较多的C、H、N原子,Al团簇的氧化并不完全。

纳米铝颗粒在二氧化碳气氛下燃烧的反应分子动力学研究

为研究核壳结构纳米铝颗粒(ANP)在CO_(2)气氛下加热与燃烧的过程,采用反应分子动力学方法 (ReaxFF MD)对原子扩散过程进行研究。加热前期,在热膨胀与电场力作用下,核心处的铝原子与壳层的氧原子间相互扩散,在ANP内部形成空腔;加热中后期,ANP在电场力与浓度梯度作用下,转变为均匀分布的亚氧化物(AlO,Al_(2)O等)。分析原子间化学键以及产物数量的变化趋势发现,未氧化的铝原子会抑制一氧化碳的产生。当CO_(2)进入ANP时,发生2Al+CO_(2)=Al_(2)OC+O反应,产生中间产物,游离的O原子优先氧化未反应的铝原子。当铝原子消耗殆尽后,亚氧化物与中间产物分别发生AlO+CO_(2)=AlO2+CO和Al_(2)OC+2AlO2=4AlO+CO反应产生CO。研究揭示了ANP在CO_(2)气氛下加热与燃烧阶段的微观反应机理,为Al/CO_(2)反应体系在火星探测领域的应用提供理论依据。

纳米铝颗粒增强Sn1.0Ag0.5Cu钎料性能及机理

通过机械混合的方法,制备Sn1.0Ag0.5Cu-x Al复合钎料.采用DSC、STR-1000型微焊点强度测试仪及SEM,研究了纳米铝颗粒对低银Sn1.0Ag0.5Cu钎料组织与性能的影响.结果表明,微量纳米铝颗粒的添加对钎料的熔化温度影响较小,其熔点均在226.9~229.0℃之间.随着纳米Al元素含量的增加,钎料的润湿角逐渐减小,力学性能逐渐增加,当纳米Al元素的添加量为0.1%时,焊点的拉伸力达到最大,为7.1 N.此外,Sn1.0Ag0.5Cu-0.1Al钎料的内部组织得到显著细化,焊点界面金属间化合物的生长也得到明显抑制,主要归因于纳米颗粒对金属间化合物生长的吸附作用.

真空条件下飞秒激光制备纳米铝颗粒的分子动力学计算

纳米铝颗粒作为新式储氢及储能材料,在环保方面有重要意义,其可以在真空中由激光烧蚀废铝制造。为了分析激光烧蚀制造纳米铝颗粒反应过程,更好地指导纳米铝颗粒的制备,将双温模型与分子动力学结合,利用Lammps分子动力学软件对烧蚀及溅射过程进行了模拟,获得了激光烧蚀过程中溅射团簇的种类、数目及体积的变化情况。在整个模拟过程中,团簇的主要变化依次为溅射原子结合生成大团簇、大团簇裂解为小团簇及团簇分解生成铝原子。

含纳米铝颗粒的JP-10凝胶燃料理化及流变性能

为了提高液体燃料能量并解决纳米金属颗粒在燃料中沉降的问题,研究以有机小分子凝胶剂(LMWG)为凝胶因子,制备了含有纳米铝颗粒的JP-10凝胶燃料,测定了最低凝胶剂含量和凝胶相转变温度,探讨了凝胶剂含量和纳米铝颗粒含量对燃料密度、黏度、离心稳定性等物理化学性能的影响,通过剪切变稀测试、触变性测试、应变扫描、频率扫描等测试了凝胶燃料的流变性能。结果表明,纳米铝颗粒在LMWG/JP-10凝胶燃料中稳定分散,同时凝胶燃料可以在施加剪切力或加热的条件下实现凝胶态与液态的相互转变;铝颗粒的加入显著提高了燃料的密度、体积热值和黏度,当纳米铝颗粒含量为25%时,2%LMWG/JP-10的密度为1.156 g·mL^-1,剪切黏度为840 mPa·s,体积热值为45.8 MJ·L^-1。铝颗粒含量少于25%时会影响凝胶体系的稳定性,但当铝颗粒含量达到25%时,体系的稳定性超过同等LMWG凝胶剂含量的纯燃料。铝颗粒的加入显著增强凝胶体系的机械强度和结构稳定性,但燃料依旧保持良好的剪切变稀特性,并且无法恢复至受剪切作用前的状态。

基于铝纳米颗粒修饰的非晶氧化镓薄膜日盲紫外探测器

近年来,宽带隙半导体材料氧化镓在日盲紫外探测领域的应用引起了广泛关注.本文基于溶液法制备了非晶氧化镓薄膜,采用紫外光退火的方式降低了薄膜的制备温度,并且通过铝颗粒修饰氧化镓薄膜表面,提升了氧化镓紫外探测器的性能.紫外退火的方式可将氧化镓薄膜的制备温度降至300℃,有望实现柔性器件的制备.当沉积铝膜厚度在3—5 nm时,可获得分布均匀、直径为2—3 nm的铝颗粒,经修饰的氧化镓薄膜表现出优秀的光电响应性能和日盲探测特性.在254nm光照下,最大光暗电流比可达2.55×10^(4),在紫外波段的抑制比I_(254nm)/I_(365nm)为2.2×10^(4).最佳的探测器响应度和探测率分别为0.771 A/W和1.13×10^(11)Jones,相比于未做修饰的氧化镓紫外探测器提升了约34倍和36倍.然而,铝纳米颗粒的修饰也会引入部分缺陷态,导致氧化镓光电探测器响应下降时间的增大.

纳米铝单颗粒与颗粒团燃烧的比较分析

基于甲烷/氧气/氮气平面扩散火焰高温燃烧实验平台,从实验和理论分析两方面比较了纳米铝单颗粒和大颗粒团在燃烧特性和反应机理上的差异.实验中高分散、近似单颗粒的铝火焰呈现微弱的黄红色,而颗粒团在相同环境下呈现亮白色火焰,说明燃烧时前者颗粒温度要低于后者.并且相同环境下颗粒团的着火延时比单颗粒要长.从理论上对比了单颗粒和颗粒团的反应控速步,发现单颗粒主要受表面非均相反应控制,但颗粒团由于巨大的内表面积使得气相扩散成为可能的控速因素.颗粒团内近似绝热的环境使得颗粒升温加快,从而能产生更大的内应力来加速反应或促使颗粒团破碎,使得颗粒团能在低于铝熔点温度的环境下实现着火.最后,根据已有研究及分析,提出了纳米铝单颗粒和颗粒团在燃烧过程中的结构演变历程.

直流磁控溅射铝纳米颗粒膜的微结构及电学特性

采用直流磁控溅射法,以高纯铝(99.99%)为靶材,高纯氩气(99.999%)为起辉气体,在经机械抛光的单晶Si衬底上制备铝纳米颗粒薄膜。利用X射线衍射仪(XRD)、光学薄膜测厚仪、扫描电子显微镜(SEM)和四探针测试仪分别测试了铝纳米颗粒薄膜的晶相结构、薄膜厚度、表面形貌及电阻率。XRD衍射图谱表明此薄膜为面心立方的多晶结构,择优取向为Al(111)晶面。随溅射功率由30 W增至300 W,铝纳米颗粒薄膜的沉积速率由3.03 nm/min增加至20.03 nm/min;而随溅射压强由1 Pa增加至3 Pa,沉积速率由2.95 nm/min降低到1.66 nm/min。在溅射功率为150 W,溅射压强为1.0 Pa条件下制备的样品具有良好的晶粒分布。随溅射功率从80 W增大到160 W,样品电阻率由4.0×10-7Ω·m逐渐减小到1.9×10-7Ω·m;而随溅射压强从1 Pa增至3 Pa,样品电阻率由1.9×10-7Ω·m增加到7.1×10-7Ω·m。

碳包铝纳米颗粒/石蜡复合相变导热材料的制备及其热学性能研究

采用直流碳弧法制备碳包铝纳米颗粒,并将其分散于石蜡（PW）基底中以制备碳包金属铝/石蜡复合相变材料.运用X射线衍射分析、扫描电子显微镜及透射电子显微镜等分析方法,研究碳包铝纳米粒子的微观形貌结构;利用差示扫描量热法及热失重分析方法,研究碳包金属铝纳米粒子和碳包铝/石蜡复合相变材料的热学特性、热稳定性以及热传导性能.结果表明：制备的金属铝纳米粒子呈现类球状核壳型结构,粒径范围在50~100nm;相比纯石蜡,碳包铝/PW复合相变材料的分解温度提高至230℃,并且复合相变材料的相变特性无明显变化;碳包金属铝/PW复合相变材料的导热系数比纯石蜡增长了194.4%,提高到0.21 W/（m·K）.

铝纳米颗粒的计算机模拟和实验研究进展

铝纳米颗粒由于具有高活性和高能量密度而成为近年来基础和应用领域研究的热点。综述了铝纳米颗粒结构和热力学性能的计算机模拟和实验研究进展,并提出了用计算机模拟与实验相结合的方法探讨铝纳米颗粒额外储能的未来研究方向。

添加纳米铝的高密度悬浮燃料点火性能

为了探究含金属颗粒悬浮燃料的点火和燃烧特性,制备了含5%纳米铝颗粒(Al NPs)的HD-01和四环庚烷(QC)的高密度悬浮燃料,采用雾化激波管测试了两种悬浮燃料在不同压力和温度下的点火延时P,通过拟合计算得到了表观点火活化能,分析了悬浮燃料的点火燃烧机理,采用高速摄像机记录了点火燃烧的流场图像。结果表明,悬浮燃料静置4周后无颗粒聚沉现象;在0.05 MPa和0.1 MPa下、1450 K和1750 K内,Al NPs可使HD-01和QC燃料的点火延时缩短约50%,表观点火活化能由161.4 k J·mol^(^(-1))和120.3 k J·mol^(-1)分别降低至156.5 k J·mol^(-1)和112.8 k J·mol^(-1);推测燃烧机理为铝原子优先与O2反应生成O自由基,进而加速燃烧反应。此外,Al NPs能够完全燃烧并促进燃料燃烧过程中的能量释放。

纳米颗粒对PVDF超滤膜性能影响的研究

通过纳米共混的方法,利用纳米铝(Al2O3)及纳米二氧化钛(TiO2)颗粒来合成PVDF超滤膜.实验中通过相转化法制得:PVDF,PVDF/Al2O3,PVDF/TiO2,PVDF/Al2O3/TiO2,四种超滤膜,并通过超滤实验测试了四种膜的纯水通量及抗污染性.通过测定膜表面和水之间的接触角来定量分析比较膜表面的亲水性.实验中利用SEM观察了膜的表面和内部微观结构.测定并讨论了纳米颗粒对膜渗透性能、抗污染性及膜形态和结构的影响.实验结果表明由于纳米颗粒的加入,膜的特性及性能得到了极大的改善和提高.而且PVDF/Al2O3/TiO2共混膜是所有被测定的膜中性能最好的.

水溶液中铝纳米微粒的制备和表征

借助OH-对铝片的腐蚀作用在水溶液中制备了金属铝纳米颗粒,考察了OH-浓度不同对产物的影响,用高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、X-射线粉末衍射(XRD)等测试手段对产物做了表征.结果表明:通过该方法得到的铝纳米微粒是由多个铝微晶通过Al(OH)J胶凝而成,外形为类球型,颗粒大小可以通过OH-的浓度来控制.此外,对铝纳米颗粒的形成机理进行了考察.

含铝浆体燃料燃烧性能研究进展

将高能金属颗粒添加到液体燃料中制成的浆体燃料含有比普通液体燃料更高的体积能量,在航空航天领域显示出潜在的重要应用价值。对国内外已开展的浆体燃料的研究情况进行了总体回顾,介绍了浆体燃料的发展历程,重点聚焦含纳米铝颗粒浆体燃料燃烧特性研究,以微观燃烧特性研究(单液滴为对象)和宏观燃烧性能研究(模型燃烧室为对象)两个不同视角论述了浆体燃料燃烧性能研究中单液滴蒸发/燃烧的理论模型、单液滴蒸发/燃烧特性的实验测量值及浆体燃料模型燃烧室燃烧性能研究进展,呈现了国内外研究机构在该领域的主要研究成果。探讨了现有研究存在的一些问题,如纳米铝团聚体的蒸发燃烧行为研究不足,微观燃烧特性和宏观燃烧性能研究脱节及模型燃烧室设计不利于准确评价燃烧性能等。给出了对该领域研究发展趋势的展望和进一步研究的建议。

纳米材料

德用纳米纤维素3D打印移植用的人造耳朵据报道,最近,德国联邦材料测试和研究所利用木质纳米纤维素,通过3D打印技术制成了移植用的人造耳朵,可以作为先天性耳廓畸形儿童的植入物。据研究人员迈克尔·豪斯曼介绍,制造人造耳朵的原料是可生物降解的木质纳米纤维素。借助生物绘图仪,具有黏性的纳米纤维素可以完美塑造复杂的构造,固化后的结构仍然非常稳定。他们研究了纳米纤维素水凝胶的特性,并进一步优化稳定性和3D打印工艺,制成了可用于移植的人造耳朵。

氧空位含量对铝基薄膜忆阻器的影响及稳定性研究

忆阻器因其电荷随流经电流变化的特性被认为是重要仿生器件之一。制备性能可控稳定的忆阻器是很有意义的。氧空位含量是影响材料阻变特性的关键因素之一,它对器件运行参数的影响至关重要。本文通过射频磁控溅射和高温退火的方法制备不同氧空位含量的铝基薄膜忆阻器。氧空位含量增加表明铝基薄膜内含有更多的游离Al原子,使流经器件电流增高。经过测试表明,含有较高氧空位含量的忆阻器拥有较高的开态电流(I_(on))10^(-2 )A、关态电流(I_(off))10^(-6 )A和较低的置位电压(V_(set))1.2 V。另外含有较高氧空位含量的样品同时还具有更短的激发时间0.7 s,其LRS状态的保持时间在85℃温度下可达219.9天。该研究为忆阻器在硬件制备和神经网络电路设计等应用提供了参考。

铝纳米颗粒表面等离子体共振峰可控性研究

在石英基底上制备了铝(Al)薄膜,同时加热烘烤制备了Al纳米颗粒,研究了不同厚度的Al纳米颗粒的吸收特性。结果表明,随着烘烤温度的上升,Al薄膜的粗糙度越来越大;当温度达到300℃时,Al薄膜完全转化成Al纳米颗粒。在300℃的烘烤温度下,当膜厚从5nm增加到25nm时,薄膜的共振吸收峰红移40nm。这种制备Al纳米颗粒的工艺简单、省时、成本低、效率高。

铝纳米颗粒的热物性及相变行为的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟了纳米金属铝在粒径为0.8—3.2 nm时的熔点、密度和声子热导率的变化,研究了粒径为1.6 nm的铝纳米颗粒的密度、比热和声子热导率随温度的变化.采用原子嵌入势较好地模拟了纳米金属铝的热物性及相变行为,根据能量-温度曲线和比热容-温度曲线对铝纳米颗粒的相变温度进行了研究,并利用表面能理论、尺寸效应理论对铝纳米颗粒熔点的变化进行了分析.随着纳米粒径的不断增大,铝纳米颗粒的熔点呈递增状态,当粒径在2.2—3.2 nm时,熔点的增幅减缓,但仍处于递增趋势.随着纳米粒径的增大,铝纳米颗粒的密度呈单调递减,热导率则呈线性单调递增,且热导率的变化情况符合声子理论.随着温度的升高,粒径为1.6 nm的铝纳米颗粒的密度、热导率均减小.该模拟从微观原子角度对纳米材料的热物性进行了研究,对设计基于铝纳米颗粒的相变材料具有指导意义.

铝纳米颗粒增强氧化镓日盲光电探测器性能研究

基于金属纳米等离子体的局域表面等离激元效应(LSPR)能够增强局域电场强度,并表现出优异的光捕获能力,可有效提升光电子器件的性能.本文结合时域有限差分法和磁控溅射技术,分别从理论和实验方面研究了金属Al纳米等离子体对β-Ga_(2)O_(3)日盲光电探测器光电特性的影响.研究发现,在254 nm日盲紫外光照射下,半径为30 nm的Al纳米等离子体可以产生LSPR效应.得益于Al等离子体的LSPR效应,β-Ga_(2)O_(3)日盲光电探测器的光谱响应度和探测率分别提升了4.7倍和6倍,器件暗电流降为原来的62.5%.本研究为Al纳米等离子体在日盲波段的应用提供了理论和实验基础,也为进一步提升日盲光电探测器的光电性能提供了新方法.

该用何种金属纳米颗粒来提升硅薄膜太阳电池的效率?

提升光电转换效率一直是太阳电池领域的主要研究方向。基于等离激元共振效应提高硅薄膜太阳电池效率是一种行之有效的技术和手段。入射光在金属/半导体界面处产生的等离激元增强散射机制能有效增强有源层对入射太阳光的吸收,从而提高能量转换效率。本文从介绍太阳电池的工作机制及基本参数入手,综述了利用金属纳米颗粒及化合物纳米材料、等离子体激元、表面钝化、光栅和陷光结构等提升硅薄膜太阳电池效率的研究进展。综合不同金属(Au、Ag和Al等)纳米颗粒对提升单晶硅薄膜太阳电池效率的效果及成本因素,肯定了用Al纳米颗粒提升单晶硅薄膜太阳电池效率的可行性及重要意义。