2012 年春季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考核科目:材料热力学学生所在院（系）:理学院应用化学系学生所在学科:学生姓名学号:学生类别:考核结果阅卷人第 1 页（共 5 页）材料热力学在材料研究方面的应用摘要：材料热力学对于材料的预测和使用具有理论指导作用，本文总结了近年来材料热力学在功能材料设计分析方面的应用，并对材料热力学这门学科在材料方面的应用进行了总结。

关键词：材料热力学；材料；应用1.材料热力学概述材料热力学就是把热力学原理和材料联系起来，用热力学的理论解决材料在设计、制造、应用时的相应问题。

材料热力学课程以热力学定律为基础，着重介绍了统计热力学在材料中的应用，如溶液的统计热力学、相图热力学、相变热力学和化学平衡热力学等。

2.计算材料科学与热力学随着科学技术的不断进步，已有的材料越来越不能满足当前甚至可预见的未来的科技发展对于生产、生活中各种器械材料的需要，已有的材料不断被淘汰，人们对材料提出越来越多的要求和希望。

材料逐渐向功能的多样化和性能的优异化发展。

大量的材料量和质的需求使人们不得不摈弃传统材料开发的逐一试探的方法。

带预测性的材料设计理念就这样应运而生了。

随着现当代材料分析与检测仪器精度和灵敏性的提高，人们可以积累大量的材料性能的数据，这为发展新的材料模型或新材料的预测和模拟研究提供了有利条件。

由此产生了以材料热力学理论为基础，计算机技术辅助支撑的计算材料科学。

耿太在他的硕士论文[1]中提到，计算材料科学发展中最活跃的是包含相图热力学和相变动力学计算在内的CALPHAD领域。

在此领域中，热力学模拟优化的过程和实验技术紧密结合，并与材料的成分、足迹和制备过程联系密切。

而目前，材料设计领域的新课题就是连接不同层次材料的成分设计、微观结构、制备工艺来达到从微观结构到宏观性能的整体预测和设计。

在这篇文章中，应用了热力学计算软件，计算了平衡态相图对耐腐蚀合金的耐腐蚀性能，计算了铁铝、铁硼合金的平衡态相图，并与标准的二元相图做了比较分析。

他认为这种计算分析对于合金成分设计制备具有指导意义。

3.材料热力学用于金属材料实际生产生活中应用最广泛的材料是金属材料。

而金属材料中用到最多的又是金属基的复合材料。

通过复合化设计后金属材料可以形成金属基的复合材料。

金属基的复合材料具有更好的机械性能和功能性能，是当前高新技术、环境、能源、通信、汽车、国防及航空航天设备中不可替代的重要材料，并在国民经济和国防建设中有着不可替代的重要作用。

范同祥等人认为，金属熔体的热力学性质历来是材料科学、冶金化学和流体物理学等领域的工作者关注的冶金热力学的核心课题之一[2]。

他们认为，热力学和动力学在研究复合材料界面反应控制、反应自生增强相种类选择、反应自生增强相尺寸控制、金属基复合材料体系设计及复合制备工艺优化等方面有很大的应用价值。

并且，基于组元元素的悟性参数能为金属基复合材料的研究提供理论指导。

但是，金属熔体的结构比较复杂，其热力学和动力学性质带有复杂性，且不同的体系有其特殊性，在这种情况下的热力学和动力学的模型应用就有其局限性和针对性，这样的模型需要发展和完善。

另外，可以把热力学和动力学与第一性原理相结合，从原子尺度进行计算，这样就能在复合材料的研究中扩大热力学和动力学的应用范围。

张瑞丰从理论和实验的角度讨论了互不溶二元固体金属系统亚稳合金的形成规律[3]。

在他的讨论中，用到了Miedema热力学理论。

他们先提出了一个计算二元过渡族金属合金标准生成焓的改进模型，一种计算二元过渡族金属合金生成焓的计算方法和一个揭示Laves 相形成规律的热力学判据。

而后，他们又开发了一种可以计算二元金属系统自由能和多金属界面能的热力学软件。

并借助于第一性原理和分子动力学模拟研究了亚稳合金相形成的规律。

我们知道，Laves相指的是，二元或三元通式为AB2的金属合金系由于两种不同大小的原子配合排列形成的密堆积结构。

这种结构在合金中现在较多的出现在储氢合金当中，我们有理由认为张瑞丰等人的工作有着很重要的实用意义。

4.材料热力学用于纳米材料纳米材料由于其良好的性能广泛应用于化工、生物、医药、冶金、电子和航天航空技术当中。

纳米材料热力学对于研究功能纳米材料和纳米器件有着极其重要的应用价值。

纳米材料含有大量的内界面，具有独特的结构特征，是新一代高性能材料的主导力量。

纳米材料的各种热力学性质均与纳米材料的尺寸和形状有密切关系。

例如，纳米材料的结合能随其尺寸的减小而减小，并且比相应的块状结构要小。

其标准摩尔生成焓，标准摩尔熵和标准吉布斯自由能的变化均随粒径的降低而减小。

黄俊颖等人归纳了纳米材料热力学研究的状[4]。

他们总结了纳米材料的热力学函数，包括热容、熵、焓、吉布斯自由能与纳米材料形貌尺寸的关系，简单介绍了当今纳米材料晶格参数、结合能、内聚能的研究结果并总结了以下结论即“在一定的形状下，纳米微粒的晶格参数和结合能随着微粒尺寸的减小而降低。

在一定尺寸时，球形纳米微粒的晶格参数和结合能要高于立方形纳米微粒的相应量。

”他们还根据国内外的大量研究成果讨论了纳米晶的界面热力学、热稳定性和溶解热力学，发现纳米微粒的熔解温度依赖于微粒的尺寸，并且不同的材质其变化规律不尽相同。

他们介绍了纳米粒子的相图、反应热力学和吸附热力学，通过大量的材料总结了纳米材料的热力学规律。

他们的工作为纳米材料热力学的发展提供了铺垫。

王路得等人采用了电化学的方法测定纳米材料的热力学函数[5]。

他们以纳米铜为例，首次采用了电化学方法获取了纳米材料的热力学函数。

他们的具体实验是：通过电化学沉积法制备了80nm粒径的铜电极，测定纳米铜与块状铜电极的电势差以获得纳米铜的标准摩尔生成焓、标准摩尔熵和标准摩尔生成吉布斯自由能。

由于纳米铜广泛应用于电极材料、催化材料、电磁材料和导电涂料等领域，并且电化学方法测定纳米材料的热力学函数可解决侧热容方法的缺陷，我们可以认他们的工作具有较强的实用价值。

纳米多晶材料更是具备了传统材料所不具备的优异性能，其比热值高、热膨胀系数大、并且相变特性和相稳定性与同成分的多晶材料差异较大。

人们进行了大量的研究以便找到纳米材料的热力学特性。

高金萍等人的工作[6]就试图解决上述问题。

他们在应用“界面膨胀模型”和普适状态方程研究纳米界面热力学特性的基础上，发展了描述整个纳米晶体热力学函数的计算模型，并推导了金属纳米晶的基本热力学函数表达式。

他们由此确定了纳米晶稳定相的形成温度与晶粒尺度之间的关系和可能形成相存在的热力学条件及临界尺寸条件。

他们在制备Co纳米晶体的同时对其进行了退火热处理，对Co纳米晶的相变趋势和相变温度范围做了测试，验证了预测结果。

并通过对Co纳米晶的等压热容的测定，计算了其熵、焓和吉布斯自由能与温度的关系式，验证了他们推出的理论模型的正确性。

他们的工作为研究纳米晶材料显微组织结构、热力学表征参量、相变行为等的关系提供了依据。

5.材料热力学用于其他材料介电弹性体（Dielectric elastomer简称DES）是一种智能材料，它属于电激活聚合物，可以产生大的应变。

它的简单的工作原理就是介电弹性驱动器即把电能直接转化成机械能。

由于它具有轻质量、高弹性能量密度的特点，在90年代后期有广泛的应用研究。

冷劲松等人研究了硅橡胶介电弹性复合体材料的热力学性质[7]。

他们的研究结果表明，当这种复合材料电致伸缩系数减小，或材料常数比减小，或温度增加等条件发生变化使得介电弹性体临界名义电场增加时，会使得热力学系统的稳定性增强。

他们构建了热弹性能、热贡献和电场能的介电弹性复合材料的自由能数学模型，通过计算得到了热力学本构关系，并认为他们的结论对硅橡胶纳米复合材料的设计和制备应用研究有着巨大的帮助。

6.材料热力学用于新能源常规能源的使用破坏了我们的环境资源。

作为传统化石能源的替代，太阳能、风能是完全安全环保的理想能源。

由于环境的限制，风能的潜在普及远不如太阳能，人们已经可以把太阳能板装于房屋顶部，既不占用空间，又能有效利用资源。

提到传统燃料的替代物通常可以联想到氢，其燃烧的产物为水，是绿色无污染的清洁能源。

人们对于这些新能源的产生、存储、使用等环节的设计也要考虑到热力学方面的影响。

Ya-Qi Li等人用有限时间热力学对太阳能热发电使用的两相变材料的存储系统进行了能量分析[8]。

他们对于基于有限时间热力学的太阳能热发电建立了一个数学模型，是用于使用了一个聚光器名字为PCM1和PCM2的两相变材料存储系统的整体总体火用效率。

这个模型考虑了总体火用效率的熔化温度和PCM1、PCM2的热转换单元数量。

这一分析是基于假定PCM是熔点温度固定的热储层的PCM的集总模型和假定空气流动的空气分布式模型来处理的。

结果显示，与单用一个PCM相比两个PCM的总体火用效率能提高19.0~53.8%。

他们对这一情况采用有限时间热力学分析，为太阳能发电的应用提供了理论指导。

Lifang Song等人对储氢材料进行了热力学分析[9]。

作为传统能源如化石燃料的替代，氢常被作为一种无污染的清洁能源被讨论。

然而，安全有效的存储氢是氢能源使用的关键问题，这一问题并未有效解决。

一个重要的方面就是固态存储技术。

一种成功的固态可逆存储材料应该满足高存储能量、合适的热力学性质、可重复使用和快速的吸附及解吸动力学性质。

Lifang Song等人总结了过去几年中复杂的氰化物、硼烷氨、有机金属框架储氢材料的热力学改善。

他们总结道，热力学和动力学是储氢材料评价的重要参数，比如脱氢温度、脱氢反应焓，吸附热等。

应深入研究其中的理论计算，了解不同材料的理论机制从而提高这些储氢材料的热力学性质，并为燃料电池的实际应用设计性能良好的新型材料。

他们认为在对于储氢材料的改进，通过研究常温常压下合适的热力学和快速反应的动力学，并降低成本，是今后工作的重点。

7.总结我发现材料热力学广泛应用于各种材料的研究中，不仅仅是上面提到的几种材料，从传统材料到新材料，我们讨论或研究材料的性质总要用到热力学的方法，通过研究材料在不同环境中的熵变、焓变、吉布斯自由能的变化来确定材料的性质是不是我们想要的，是不是满足材料设计之初我们对它的期望。

参考文献：[1].耿太.材料热力学计算及其在合金制备中的应用[D].天津：河北工业大学，2005.1-15.[2].范同祥，张从发，张荻.金属基复合材料的热力学与动力学研究进展[J].中国材料进展，2010,29（4）：23-28.[3].张瑞丰.合金相形成的热力学、分子动力学模拟及离子束混合研究[D].北京：清华大学,2005.1-63.[4].黄俊颖，黄在银，米艳.纳米材料热力学的研究现状及展望[J].化学进展，2010,22（6）：1058-1067.[5].王路得，黄在银，范高超.电化学方法测定纳米材料的热力学函数[J].中国科学：化学，2012,42（1）：47-51.[6].高金萍.金属纳米晶材料的制备、热力学特性及相稳定性的研究[D].北京：北京工业大学.2005.1-23.[7].冷劲松，张震，刘立武.介电弹性体复合材料的热了学和热机电稳定性[J].中国科学：物理学力学天文学，2012,42（1）：61-77.[8].Ya-Qi Li，Ya-Ling He，Zhi-Feng Wang. Exergy analysis of two phase change materials storage system for solar thermal power with finite-time thermodynamics [J].Renewable Energy，2012,39：447-454.[9].Lifang Song，Shuang Wang，Chengli Jiao.Thermodynamics study of hydrogen storage materials [J]. J. Chem. Thermodynamics，2012,46：86-93.。