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材料相变会吸收或释放部分热量,进而无法使用经典的热传导方程描述相变过程中的热流输运。研究团队引入相变动力学方程进行校正,成功得到了适用于相变过程的热传导方程。基于该方程,发现相变可能会显著影响材料热扩散系数的测量。研究团队引入了相变反应速率(B因子)来描述相变与热扩散系数的关系。当B因子无穷小时,相变对热扩散系数的测量无任何影响。当B因子大时,相变在短时间内完成,对热扩散系数的影响非常大。研究团队选取了Cu2S,Cu2Se,Ag2S和Ag2Se四种代表性相变材料进行实验研究,通过DSC差示扫描量热法表征了相变反应速率。研究发现,具有较大B因子的Cu2Se和Cu2S在相变过程中对热扩散系数显著降低,而具有较小B因子的Ag2S在相变过程中对热扩散系数仅略微降低。对于Ag2Se,B因子非常低,因此相变对热扩散系数几乎无影响。
相变时材料的真实热导率需要同时去除额外增加的热容和降低的热扩散系数。高温下材料的定容热容为杜隆珀替值,因此很容易去除增加的热容。而对热扩散系数,基于校正后的热输运方程,可成功从测量的热扩散系数中扣除相变的贡献。采用该方法,成功获得Cu2S,Cu2Se,Ag2S和Ag2Se四种材料在相变过程中的真实热导率,其中Cu2Se的热导率吻合采用表面热损失法和3ω方法测量的数值,而校正后Cu2S和Ag2S的热导率特性则与电输运性能以及一级相变的特征相一致。研究还发现,具有一级相变特征的Cu2S,Ag2S和Ag2Se材料在相变过程中热导率没有额外变化,从低温相的数值直接过渡至高温相的数值。但是,具有二级相变特征的Cu2Se在相变过程中热导率出现显著降低,在相变临界点时达到最低点,表明二级相变过程中的临界涨落可强烈散射声子,降低热导率。基于真实热导率计算得到的Cu2Se在临界相变点的热电优值为0.86,远高于相变前后的性能。该工作为解析和调控热电材料、相变存储器材料、太阳能电池材料等在相变过程中的热传导提供了新的研究思路和策略。
研究工作得到国家重点研发专项、国家自然科学基金、中科院重大科研装备研制项目、中科院青年创新促进会等的资助和支持。
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