一种金属纳米介孔材料电子热导率的测算方法与流程

本发明涉及一种金属纳米介孔材料电子热导率的测算方法。
背景技术：
：纳米材料是一种新型的材料，具有广阔的应用前景。纳米孔复合材料具有许多奇特的光、电、磁和催化等特性，普遍认为：纳米孔复合体材料所呈现的特异性能，有望深刻影响太阳能电池、电极材料、固体电池、化学传感、气敏材料、非线性光学材料、红外传感器等领域关键器件的设计与研发。而这些器件的性能很大程度上将受到纳米孔材料自身热物理性质的影响。更基本的是，纳米孔材料的热物理性质也是一个重要的纯科学问题，已经在凝聚态物理学和热科学中受到广泛关注。对纳米孔材料热物理性质的研究将极大丰富凝聚态物理学科的发展。目前应用较为广泛的纳米孔材料主要为介孔材料。所谓介孔材料是一种孔径介于微孔(<2nm)与大孔(>50nm)之间的具有巨大表面积和规整孔道结构的新型材料。而介孔材料又可以分为有序介孔材料(包括二氧化硅介孔材料：MCM-41、MCM-48、MCM-50和SBA-15等；非硅介孔材料：TiO2、ZrO2、Al2O3、Ga2O3等；以及介孔C材料)和无序介孔材料(SiO2气凝胶和微晶玻璃等)。同时，有序介孔材料的热导率与随机孔道结构介孔材料的声子热导率(晶格热导率)极为接近。目前，已经有文献对具有二维六方孔道有序结构的圆形孔介孔材料进行传热特性分析。已有研究内容包括：针对Al2O3介孔材料，建立了有序纳米孔材料孔道轴向热导率模型，将理论分析与实验测量结果相结合，探讨了Al2O3介孔材料的热传输机理；针对二氧化硅介孔材料MCM-41、SBA-15，开展介孔结构重构和验证，分别使用分子动力学方法和经典理论模型研究其热导率，耦合孔隙内气体导热，开展一维传热分析，获得了介孔二氧化硅的有效热导率表达式，并结合实验数据，探讨了孔道直径和孔隙率等结构参数对热导率的影响。同时，值得注意的是，目前纳米孔材料热传输特性的研究主要集中在声子热导率方面，对电子热导率并无研究。而对介孔金属材料，电子热导率对该纳米材料的热传输特性的具有重要影响。目前还没有对金属纳米介孔材料进行电子热导率测算的方法，这是本行业亟需解决的问题。技术实现要素：针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种金属纳米介孔材料电子热导率的测算方法，能对金属纳米介孔材料的电子热导率进行测算，便于后续对金属纳米介孔材料的热传输特性研究。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：该种金属纳米介孔材料电子热导率的测算方法，其具体步骤如下：(1)将所要检测的金属纳米介孔材料的尺寸、形状及对应该金属块材的已知块材电子平均自由程l0B确定；(2)确定该金属块材的电子自由程：块材电子自由程l00由块材电子平均自由程l0B得到，块材电子平均自由程l0B为半球空间内,电子自由程沿传输方向Z的积分平均,相应表达式为：其中θ为电子运动方向与Z轴的夹角，为电子运动方向在XY面的投影与X轴正向的夹角；由于块材电子平均自由程l0B为已知数值，因此可得出块材电子自由程l00的值；(3)该金属纳米介孔材料内电子总数大于5000个，当电子数超过5000时,金属纳米介孔材料内电子的平均自由程l不再依赖于电子数；在该金属纳米介孔材料内随机选取一个电子，所述电子的位置和运动方向均为随机选取，其速度为费米速度；(4)确定当前选取的金属纳米介孔材料电子自由程：Ⅰ、建立XYZ轴坐标系，设选取的电子为第n个电子，则第n个电子的初始位置随机为(xn0，yn0，zn0)，第n个电子的运动方向随机为(an，bn，cn)，且cn＞0；电子的运动方程为：xn-xn0an=yn-yn0bn=zn-zn0cn;]]>Ⅱ、材料的边界方程为f(x,y,z)＝0；Ⅲ、根据xn-xn0an=yn-yn0bn=zn-zn0cnf(x,y,z)=0]]>得出该电子的最终位置坐标为(xn1，yn1，zn1)；Ⅳ、由初始位置和最终位置可以算出电子运动的距离l’0n，具体公式为：l′0n=(xn0-xn1)2+(yn0-yn1)2+(zn0-zn1)2]]>Ⅵ、若l’0n＞l00，则第n个电子的自由程l0n取为l00，若否，则第n个电子的自由程l0n取为l’0n；(5)计算当前选取的电子完成运动时，所有电子平均自由程l0：重复步骤(4)得出其余电子的电子自由程，将数据代入公式中l0=1nΣi=1nl0i]]>得到该次电子平均自由程l0；(6)重复步骤(3)～(5)再得出一次电子平均自由程l’0值，前后两次得到的电子平均自由程之间的差值若小于10-3，则取前后两次得到的电子平均自由程的平均值为输出的电子平均自由程l；若大于10-3，则重复步骤(3)～(5)继续得出一次电子平均自由程l0值，直至前后两次得到的电子平均自由程之间的差值小于10-3，取最后两次得到的电子平均自由程的平均值为输出的电子平均自由程l；(7)计算该金属纳米介孔材料的电子热导率k：k=13Cvl]]>式中C-容积电子比热，ν-电子费米速度，l-电子平均自由程；金属纳米介孔材料的电子比热C与金属块材的电子比热相同；将已知的电子费米速度ν和得出的电子平均自由程l代入上式，最终得出该金属纳米介孔材料的电子热导率k。与现有技术相比，本发明通过测算金属纳米介孔材料的电子平均自由程，通过公式得出该金属纳米介孔材料的电子热导率，便于后续对金属纳米介孔材料的热传输特性研究。附图说明图1是本发明中金属纳米介孔材料对应的金属块材中电子传输示意图；图2是本发明的工作流程图。具体实施方式下面将对本发明作进一步说明。如图2所示，本发明的具体步骤如下：(1)将所要检测的金属纳米介孔材料的尺寸、形状及对应该金属块材的已知块材电子平均自由程l0B确定；(2)确定该金属块材的电子自由程：块材电子自由程l00由块材电子平均自由程l0B得到，块材电子平均自由程l0B为半球空间内，如图1所示电子自由程沿传输方向Z的积分平均,相应表达式为：其中θ为电子运动方向与Z轴的夹角，为电子运动方向在XY面的投影与X轴正向的夹角；由于块材电子平均自由程l0B为已知数值，因此可得出块材电子自由程l00的值；(3)该金属纳米介孔材料内电子总数大于5000个，当电子数超过5000时,金属纳米介孔材料电子的平均自由程l不再依赖于电子数；在该金属纳米介孔材料内随机选取一个电子，所述电子的位置和运动方向均为随机选取，其速度为费米速度；(4)确定当前选取的金属纳米介孔材料电子自由程：Ⅰ、建立XYZ轴坐标系，设选取的电子为第n个电子，则第n个电子的初始位置随机为(xn0，yn0，zn0)，第n个电子的运动方向随机为(an，bn，cn)，且cn＞0；电子的运动方程为：xn-xn0an=yn-yn0bn=zn-zn0cn;]]>Ⅱ、材料的边界方程为f(x,y,z)＝0；Ⅲ、根据得出该电子的最终位置坐标为(xn1，yn1，zn1)；Ⅳ、由初始位置和最终位置可以算出电子运动的距离l’0n，具体公式为：l′0n=(xn0-xn1)2+(yn0-yn1)2+(zn0-zn1)2]]>Ⅵ、若l’0n＞l00，则第n个电子的自由程l0n取为l00，若否，则第n个电子的自由程l0n取为l’0n；(5)计算当前选取的电子完成运动时，所有电子平均自由程l0：重复步骤(4)得出其余电子的电子自由程，将数据代入公式中l0=1nΣi=1nl0i]]>得到该次电子平均自由程l0；(6)重复步骤(3)～(5)再得出一次电子平均自由程l’0值，前后两次得到的电子平均自由程之间的差值若小于10-3，则取前后两次得到的电子平均自由程的平均值为输出的电子平均自由程l；若大于10-3，则重复步骤(3)～(5)继续得出一次电子平均自由程l0值，直至前后两次得到的电子平均自由程之间的差值小于10-3，取最后两次得到的电子平均自由程的平均值为输出的电子平均自由程l；(7)计算该金属纳米介孔材料的电子热导率k：k=13Cvl]]>式中C-容积电子比热，ν-电子费米速度，l-电子平均自由程；金属纳米介孔材料的电子比热C与金属块材的电子比热相同；将已知的电子费米速度ν和得出的电子平均自由程l代入上式，最终得出该金属纳米介孔材料的电子热导率k。当前第1页1 2 3