相變材料納米線是采用物理蒸發(fā)技術(shù)或納米加工技術(shù)制備出的線狀相變材料。作為存儲材料具有存儲單元尺寸小、功耗低、速度快等優(yōu)點(diǎn),可望用于高密度、高速、大容量相變存儲器。
以前納米線太陽能電池的開路電壓和填充值遠(yuǎn)低于平板太陽能電池,造成其性能有欠缺的原因包括,進(jìn)行高溫?fù)诫s處理時P-N結(jié)的表面復(fù)合問題以及很難對P-N結(jié)的質(zhì)量進(jìn)行控制。新方法為我們提供了一種簡單廉價制造高質(zhì)...
納米線鋰電池能夠更加快速地完成充滿電過程,同時還能夠比目前的鋰離子電池多釋放出30%到40%的電量。因此,這種下一代電池有望徹底改變電動汽車市場的面貌,同時還能讓太陽能轉(zhuǎn)化的電能進(jìn)入千家萬戶。硅基陽極...
現(xiàn)在研究出了一種新型的能源,就是納米線電池,納米線電池在線可穿戴頻道原創(chuàng)]續(xù)航對于時下越來越流行的智能手表和健身來說尤為重要,但我們都知道,這些設(shè)備的個頭一般不會很大,這也就意味著它們的電池容量不會太...
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普渡大學(xué)研究人員利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積,將石墨烯包裹在銅納米線上,有效防止銅線被氧化,并顯著提高數(shù)據(jù)傳輸速度,降低傳導(dǎo)熱。這種材料在液晶和柔性顯示器中的應(yīng)用前景很好。
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普渡大學(xué)研究人員利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積,將石墨烯包裹在銅納米線上,有效防止銅線被氧化,并顯著提高數(shù)據(jù)傳輸速度,降低傳導(dǎo)熱。這種材料在液晶和柔性顯示器中的應(yīng)用前景很好。
根據(jù)組成材料的不同,納米線可分為不同的類型,包括金屬納米線(如:Ni,Pt,Au等),半導(dǎo)體納米線(如:InP,Si,GaN 等)和絕緣體納米線(如:SiO2,TiO2等)。分子納米線由重復(fù)的分子元組成,可以是有機(jī)的(如:DNA)或者是無機(jī)的(如:Mo6S9-xIx)。
相變材料基本簡介
相變材料可分為有機(jī)(Organic)和無機(jī)(Inorganic) 相變材料。亦可分為水合鹽(Hydrated Salts)相變材料和蠟質(zhì)(Paraffin Wax)相變材料。
我們最常見的相變材料非水莫屬了,當(dāng)溫度低至0°C 時,水由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)(結(jié)冰)。當(dāng)溫度高于0°C時水由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)(溶解)。在結(jié)冰過程中吸入并儲存了大量的冷能量,而在溶解過程中吸收大量的熱能量。冰的數(shù)量(體積)越大,溶解過程需要的時間越長。這是相變材料的一個最典型的例子。
相變材料應(yīng)用于電采暖行業(yè),是傳統(tǒng)電采暖邁向節(jié)能電采暖的革命性轉(zhuǎn)變,相變熱電暖器就是其中代表產(chǎn)品,相對傳統(tǒng)電暖器可節(jié)能60%-70%。
從以上的例子可看出,相變材料實(shí)際上可作為能量存儲器。這種特性在節(jié)能,溫度控制等領(lǐng)域有著極大的意義。因此,相變材料及其應(yīng)用成為廣泛的研究課題。
有機(jī)相變材料和無機(jī)相變材料的最大區(qū)別在于運(yùn)用到建筑材料等方面耐久性和防火性的差異,后者多優(yōu)于前者。
相變材料具有在一定溫度范圍內(nèi)改變其物理狀態(tài)的能力。以固-液相變?yōu)槔诩訜岬饺刍瘻囟葧r,就產(chǎn)生從固態(tài)到液態(tài)的相變,熔化的過程中,相變材料吸收并儲存大量的潛熱;當(dāng)相變材料冷卻時,儲存的熱量在一定的溫度范圍內(nèi)要散發(fā)到環(huán)境中去,進(jìn)行從液態(tài)到固態(tài)的逆相變。在這兩種相變過程中,所儲存或釋放的能量稱為相變潛熱。物理狀態(tài)發(fā)生變化時,材料自身的溫度在相變完成前幾乎維持不變,形成一個寬的溫度平臺,雖然溫度不變,但吸收或釋放的潛熱卻相當(dāng)大。
相變材料的分類相變材料主要包括無機(jī)PCM、有機(jī)PCM和復(fù)合PCM三類。其中,無機(jī)類PCM主要有結(jié)晶水合鹽類、熔融鹽類、金屬或合金類等;有機(jī)類PCM主要包括石蠟、醋酸和其他有機(jī)物;復(fù)合相變儲熱材料的應(yīng)運(yùn)而生,它既能有效克服單一的無機(jī)物或有機(jī)物相變儲熱材料存在的缺點(diǎn),又可以改善相變材料的應(yīng)用效果以及拓展其應(yīng)用范圍。因此,研制復(fù)合相變儲熱材料已成為儲熱材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究課題。但是混合相變材料也可能會帶來相變潛熱下降,或在長期的相變過程中容易變性等缺點(diǎn)。
物質(zhì)從一種相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相的過程。物質(zhì)系統(tǒng)中物理、化學(xué)性質(zhì)完全相同,與其他部分具有明顯分界面的均勻部分稱為相。與固、液、氣三態(tài)對應(yīng),物質(zhì)有固相、液相、氣相。
一級相變
在發(fā)生相變時,有體積的變化同時有熱量的吸收或釋放,這類相變即稱為“一級相變”。例如,在1個大氣壓0℃的情況下,1千克質(zhì)量的冰轉(zhuǎn)變成同溫度的水,要吸收79.6千卡的熱量,與此同時體積亦收縮。所以,冰與水之間的轉(zhuǎn)換屬一級相變。
二級相變
在發(fā)生相變時,體積不變化的情況下,也不伴隨熱量的吸收和釋放,只是熱容量、熱膨脹系數(shù)和等溫壓縮系數(shù)等的物理量發(fā)生變化,這一類變化稱為二級相變。正常液態(tài)氦(氦Ⅰ)與超流氦(氦Ⅱ)之間的轉(zhuǎn)變,正常導(dǎo)體與超導(dǎo)體之間的轉(zhuǎn)變,順磁體與鐵磁體之間的轉(zhuǎn)變,合金的有序態(tài)與無序態(tài)之間的轉(zhuǎn)變等都是典型的二級相變的例子。
在電子,光電子和納電子機(jī)械器械中,納米線有可能起到很重要的作用。它同時還可以作為合成物中的添加物、量子器械中的連線、場發(fā)射器和生物分子納米感應(yīng)器。
截至2014年,納米線仍然處于試驗(yàn)階段。不過,一些早期的實(shí)驗(yàn)顯示它們可以被用于下一代的計(jì)算設(shè)備。為了制造有效電子元素,第一個重要的步驟是用化學(xué)的方法對納米線摻雜。這已經(jīng)被實(shí)現(xiàn)在納米線上來制作P型和N型半導(dǎo)體。下一步是找出制作PN結(jié)這種最簡單的電子器械的方法。這可用兩種方法來實(shí)現(xiàn)。第一種是物理方法:把一條P型線放到一條N型線之上。第二種方法是化學(xué)的:沿一條線摻不同的雜質(zhì)。再下一步是建邏輯門。依靠簡單的把幾個PN節(jié)連到一起,研究者創(chuàng)造出了所有基礎(chǔ)邏輯電路:與、或、非門都已經(jīng)可以由納米線交叉來實(shí)現(xiàn)。納米線交叉可能對數(shù)字計(jì)算的將來很重要。
納米線能夠?qū)⑻柟庾匀痪奂骄w中一個非常小的區(qū)域,聚光能力是普通光照強(qiáng)度的15倍。由于納米線晶體的直徑小于入射太陽光的波長,可以引起納米線晶體內(nèi)部以及周圍光強(qiáng)的共振。該研究的參與者、剛剛獲得尼爾斯·波爾研究所博士學(xué)位的彼得·克洛格斯特拉普解釋說,通過共振散發(fā)出的光子更加集中(太陽能的轉(zhuǎn)換正是在散發(fā)光子的過程中實(shí)現(xiàn)的),這有助于提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率,從而使得基于納米線的太陽能電池技術(shù)得到真正的提升。
典型的太陽能轉(zhuǎn)換效率極限,也就是所謂的肖克利·奎伊瑟效率極限(Shockley-Queisser Limit),一直是太陽能電池效率的瓶頸,納米線可能使這一轉(zhuǎn)換效率極限提高幾個百分點(diǎn),對太陽能電池的發(fā)展、基于納米線的太陽能的利用以及全球的能源開發(fā)等產(chǎn)生重大影響。
研究人員把肉眼不可見的納米線構(gòu)建成納米“樹”,研究人員將納米“樹”電極浸沒在水中,然后利用模擬的太陽光進(jìn)行照射,并測量電量的輸出。結(jié)果表明,這種垂直分支結(jié)構(gòu)不僅能夠捕獲大量太陽能,同時也能最大限度地提高氫氣產(chǎn)量。因?yàn)樵谄矫娼Y(jié)構(gòu),氣泡必須很大才能浮出水面,而垂直結(jié)構(gòu)可以很快地提取非常小的氫氣泡。研究人員表示,這種垂直分支結(jié)構(gòu)可以為化學(xué)反應(yīng)提供比平面結(jié)構(gòu)高40萬倍的表面積。 研究人員還有更為遠(yuǎn)大的目標(biāo),他們的眼睛盯在了人工光合作用。在自然界的光合作用中,植物不僅吸收陽光,還吸收二氧化碳和水,產(chǎn)生碳水化合物供其自身生長。研究人員希望有一天能夠模仿這一過程,利用納米“森林”來吸收大氣中的二氧化碳。
2013年1月,英國科學(xué)家研制出一種玻璃(二氧化硅)納米纖維,比頭發(fā)細(xì)千倍卻比鋼堅(jiān)硬15倍,堪稱世界上最高強(qiáng)度、最輕的“納米線”。從歷史上看,碳納米管是最強(qiáng)的物質(zhì),但其高強(qiáng)度只能在僅幾微米長的樣品中測量到,實(shí)用價值不大。
相比之下,二氧化硅納米線比高強(qiáng)度鋼硬15倍,比傳統(tǒng)的強(qiáng)化玻璃鋼強(qiáng)10倍。人們可以減少材料使用量,從而減輕物體的重量。生產(chǎn)納米線的硅和氧在地殼層是最常見的可持續(xù)和廉價利用的元素。此外,可以生產(chǎn)噸級二氧化硅納米纖維,用于光學(xué)纖維電力網(wǎng)絡(luò)。特別具有挑戰(zhàn)性的是如何處理如此之小的纖維,它們比人的頭發(fā)細(xì)近千倍。事實(shí)上,當(dāng)它們變得非常非常小時,其行為便出現(xiàn)完全不同的方式,不再像玻璃那樣易碎和破裂,而是如塑料般柔軟,這意味著它們具有可以被抻拉的韌性。該研究結(jié)果可用來改造航空、航海和安全等行業(yè)。
科學(xué)家在微電池制造方面邁出了重要的一步,他們研發(fā)出一種微電池,這種電池里有著垂直排列的鎳—錫納米線,這些納米線外面均勻地包裹著一種叫做PMMA的多聚體材料,也就是人們俗稱的有機(jī)玻璃。PMMA的主要作用是絕緣,當(dāng)電流通過時,它能保護(hù)里面的納米線不受反電極的影響。這種電池比普通的鋰電池充電時間更短,其他性能也更為出色。 2100433B