水反常热膨胀特性的简易实验

通过改变带细玻璃管的烧瓶中水的温度导致水位变化来粗略演示水的收缩情况.为较准确测定水最大密度时的温度,将2个温度计放在水下较浅处和较深处,分别测量当温度经由4℃升高时和由4℃降低时两温度计的示数,进而验证水的反常热膨胀特性.     

Mn替代对Dy2AlFe16-xMnx化合物的结构和磁性的影响

通过X射线衍射及磁测量手段研究了Dy2AlFe16-xMnx化合物的结构和磁性.研究结果表明Dy2AlFe16-xMnx化合物具有六角相的Th2Ni17型结构.对x=1,2的样品采用X射线热膨胀测定法在104-647K的温度范围内测量了其热膨胀性质,发现这些化合物在低温下存在热膨胀反常现象,在居里点附近出现负膨胀性质.对自发磁致伸缩的研究结果表明Dy2AlFe16-xMnx化合物中存在着较强的各向异性的自发磁致伸缩,随着Mn含量的增加,其低温下的自发体磁致伸缩减弱.磁测量结果表明Mn的替代导致Dy2AlFe16-xMnx化合物的居里温度及自发磁化强度急剧下降.     

第一性原理计算钛酸铅A位掺杂对其负热膨胀性的影响

近年来,实验发现钛酸铅基材料具有负热膨胀性,且其热膨胀程度会受到掺杂元素的影响. 目前所研究的A位掺杂体系中,仅Cd原子掺杂能使钛酸铅负热膨胀性增强. 所以研究A位掺杂钛酸铅,比较Cd原子与其他原子在掺杂钛酸铅时化学键的异同,有助于深刻理解钛酸铅负热膨胀的本质. 本文利用第一性原理,分别优化了Sr、Ba、Cd掺杂钛酸铅的晶格常数,计算了它们的态密度和电荷密度. 结果表明Cd―O键的共价性强于Pb―O键,而Ba―O键和Sr―O键几乎呈离子性,Ba/Sr对Pb的替代削弱了化合物的共价性,降低了自发极化强度. 与实验测量的热膨胀系数对比可以发现,A位原子与氧原子之间的共价性增强,化合物负热膨胀程度升高;若A位原子与氧原子之间的共价性削弱,负热膨胀程度降低. 可见A位原子与氧原子之间的共价性影响了钛酸铅基化合物负热膨胀性.     

含酰胺结构超低膨胀聚酰亚胺薄膜的热膨胀行为

采用联苯二酐与3种含酰胺结构二胺制备了具有不同取代基团的聚酰胺-酰亚胺薄膜, 考察了酰胺结构对薄膜力学、 耐热及尺寸稳定性的影响, 研究了聚集态结构与薄膜热膨胀行为的关系和规律. 该系列薄膜具有超高强度和优异的耐热性能, 拉伸强度高达280.5 MPa, 玻璃化转变温度在389~409 ℃, 并在30~300 ℃温度范围内表现出超低负膨胀, 热膨胀系数(CTE, ppm/℃, 即10 ⁶ cm·cm ^-1·℃ ^-1)在-3.05~-1.74 ppm/℃之间. 聚集态分析结果表明, 酰胺结构使分子链间形成了强氢键相互作用, 分子链在薄膜面内方向高度有序取向, 并在膜厚方向堆积更为紧密, 使薄膜表现出热收缩现象. 通过不同体积大小的取代基团进一步调控分子链间相互作用及排列堆积, 可实现薄膜在高温下近乎零尺寸形变, 为设计制备超低膨胀聚合物基板材料提供了新思路.     

微波辅助合成石墨烯/氧化镍复合材料及其表征

本文通过微波辅助的方法,快速而有效地在热膨胀石墨烯(RG)的缺陷上原位合成氧化镍纳米颗粒,形成石墨烯/氧化镍复合材料(RG/NiO)。利用X-射线衍射(XRD),拉曼光谱(Raman),傅里叶变换红外(FTIR),扫描电镜(SEM),透射电镜(TEM),热重-差热(TGA-DSC)对所制备样品的结构、形貌和NiO含量在复合材料中的含量进行表征。结果表明,热膨胀石墨烯层数约7~8层,层间距约为0.35nm,缺陷多,在水热和微波处理后抗氧化性明显变差。复合材料中氧化镍颗粒平均粒径为25nm,均匀而密集地分散在石墨烯平面上,同时在复合材料中的含量为19.8%。     

Zn(NCN)单轴的负热膨胀性及机理研究

负热膨胀(NTE)是一种反常的物理现象, 已在合金和框架结构化合物等材料中被观察到, 但NTE材料的种类仍然有限. 本文合成了一种单轴NTE材料Zn(NCN), 该材料在c轴方向及在100~475 K下的热膨胀系数为-3.35×10^?6 K^?1, 而a轴和b轴方向则呈低热膨胀性, 体积具有低的热膨胀系数[6.13×10^?6 K^?1(100~475 K)]. 通过同步辐射X射线衍射、 扩展X射线吸收精细结构和拉曼光谱等方法, 研究了Zn(NCN)的NTE机理. 结果表明, Zn—N键具有明显的横向振动, 一些低频振动模Grüneisen参数为负值. 直接的实验证据表明, N=C=N的横向振动以及准刚性ZnN₄四面体的耦合旋转和扭摆导致了c轴方向的NTE.     

煤颗粒热膨胀量与破碎特性的研究

煤颗粒的热膨胀破碎特性直接影响流化床锅炉的运行效率.本文利用热机械分析仪(TMA)测定了不同种类不同密度的型煤和原煤的热膨胀特性,并对部分破碎微观形貌进行了FSEM观察;通过旋转炉内的燃烧试验研究了热膨胀特性和破碎的关系.研究表明,煤颗粒在燃烧过程中其热膨胀破碎主要发生在挥发分析出阶段;内部挥发分的析出会使颗粒内压增大而产生膨胀,进而产生细小裂纹并破碎;挥发分越高,颗粒密度越大,其热膨胀形变率越大,越容易发生破碎现象;主要挥发分析出后热膨胀引起的破碎可以忽略.     

为2007年亚奥赛物理实验命题的体会

笔者被聘为2007年亚奥赛物理实验命题,经过半年多的努力终于将科研成果——激光测温合理地转换为一个奥赛实验试题——干涉法测量玻璃热膨胀系数和折射率温度系数,本文主要介绍了命题过程及体会.     

简易热气球的制作和演示

我们知道,一般的气球是充以密度比空气小得多的气体,从而使气球所受的浮力大于自身重力而升空的。而热气球充的却是热空气,它不是密封的,在它的下部开了很大的口子,悬吊着可控制的喷火装置。当往气球中喷火时气球内部的空气温度升高而膨胀,内部空气密度变小,整个气球变轻,当总重力小于浮力时气球则上升。停止喷火时,由于热传递使气球内空气温度下降而收缩,密度增大,总重力变大。当气球重力大于或等于浮力时则下降。     

相变调控、磁热效应和反常热膨胀

相变作为广泛存在于自然界中的一种现象很早就受到了广泛的关注,并且已经被应用于相变制冷、相变存储、相变储能和负热膨胀等领域中.基于磁热、电热和机械热效应不断发展起来的固态制冷技术具有环保、高效、低噪声和易小型化等优点,被视为替代汽压缩制冷的新型制冷技术.其中,磁热效应是研究历史最悠久的一种.然而,单磁场驱动磁热效应的诸多不足限制了其固态制冷应用,如热效应幅度不够高、滞后损耗大、制冷温跨窄等,因此多场调控和多卡效应应运而生.本文主要介绍笔者团队近期开展的多场调控磁热效应、以及磁热材料的反常热膨胀行为的研究.