含纳米弥散体复合介质热辐射特性分析

The electromagnetic response of composites with dispersed nanoparticle to incident wave is a common physical process in many fields, such as the application of new energy. This project will investigate this process, the physical mechanism of the interaction between the composite and incident wave will be studied, and the possible factors that would influence this process will be analyzed, then the mathematical physics model will be constructed based on some related theories, where the influences of composite's structure, dispersed nanoparticle and host media will be considered.The model that calculate the distribution of radiant absorption, heat generation and temperature field will be built by considering the nano structure of the composite.The calculated results will be beneficial to experimental study of the project. Suitable micro-nano technology will be chosen for the preparation of the composite with dispersed nanoparticle, then dispersed nanoparticle's structure and their distribution in host media will be controlled. The radiative properties and heat generation from the incident wave for these composites will be measured, and the effective optical constants will be inversed from the radiative properties. The results calculated from the model will be compared with those from experimental study, and the application domain of the model will be analyed.The parameters that discribe the nano structure of the composite will be optimized by considering the corresponding application.

含纳米弥散体复合介质对入射辐射的电磁响应是新能源利用等很多领域中所共有的物理过程。本项目将以此过程为研究对象，研究该类型复合介质与电磁波相互作用的物理机理，分析可能会对含纳米弥散体复合介质辐射响应产生影响的相关因素，基于相关理论，建立相应的数学物理模型，模型中考虑到介质的结构特征、弥散体与基体介质等影响因素；结合复合介质的结构特征建立其辐射吸收产热及温度场模型，计算辐照条件下该类型介质对入射电磁波的辐射吸收产热量及温度场分布，通过模拟计算为该类材料的实验研究提供参考和理论依据；同时本项目拟针对具体情况采用合适的微纳米制备技术制备该类型的复合介质，调控弥散体的结构及其在基体介质中的分布状态,测试复合介质的辐射传递特性及其内部辐射吸收产热分布，并由介质的辐射特性反演其等效光学参数，将理论结果与实验结论进行比较，分析模型的适用情况。最后结合不同应用背景需求，优化设计相应的结构参数。

介质中辐射能量传递和转化过程不仅与介质的材料有关，还与介质的微纳米结构有关，当纳米弥散颗粒掺入连续性基体介质中，复合介质的辐射响应特性会发生变化，对纳米弥散颗粒复合介质选用材料和微纳米结构进行合理地优化设计，有助于该类型介质在太阳能高效利用、功能涂料和传感器制备等领域的推广应用。项目首先分析含纳米弥散体复合介质辐射响应机理，然后基于相关理论，完成以下研究内容：（1）从有效介质理论的源头出发，通过有限元模拟复合介质内的电场分布，建立等效光学常数模型，分析了模型的适用性，从而可以考虑掺入纳米颗粒形态对等效辐射特性参数的影响规律；（2）建立并验证了含纳米弥散颗粒复合介质辐射吸收产热模型，系统分析了持续稳定辐照条件下，颗粒形态对颗粒加热周围介质能力的影响规律，发现具有明显的棱角结构的多面体能够传递较多的能量给周围介质，而该形态纳米颗粒的辐射吸收能量大部分被局域在棱角区域；（3）探索了Ag纳米颗粒尺寸和分布的调控方案，测试并比较了不同样品辐射吸收光谱，实验证明颗粒形貌会影响样品的吸收光谱，弥散纳米颗粒与连续性介质形成复合薄膜的辐射吸收特性增强效应比单纯的介质薄膜或弥散颗粒系统明显。通过共溅射的方式制备了Ag/Al2O3膜层，并与TiO2层复合形成Ag/ Al2O3-TiO2复合膜，对比样品的吸收光谱与理论模拟结果，分析两者误差产生的原因。基于项目成果，结合工程实际情况，系统分析了煤粉炉内颗粒形貌对颗粒系统辐射换热的影响；考虑含纳米弥散颗粒复合介质在太阳能利用和等离子传感领域的应用前景，项目模拟分析了各可调控参数的影响规律，提出了优化设计思路，为相应的实验研究和工程应用提供参考。