低温量热原理及在材料研究中的应用(三）

       低温量热技术用于热力学性质测量与研究已经有一百多年的发展历史。起初, 研究者主要是利用这种量热方法为热力学理论的验证提供实验依据, 以及为化学化工、能源材料、冶金勘探和军事航天等领域研究提供基础热力学数据, 并且这些重要应用到现在也无法被其他技术所取代。21世纪以来,材料科学的迅速发展取得了举世瞩目的成就, 并且直接或间接促进了其他相关研究领域的发展; 而低温量热作为材料热力学性质研究的重要实验手段,已经突破了传统意义上的热力学数据测量, 更多地在材料功能性质与其微观结构能量变化关联的研究中发挥着重要的指导作用。

纳米材料

      纳米材料是近年来材料研究领域的热点, 因其在纳米尺度表现出与其体相材料迥异的物理化学性质而在众多领域具有重要的研究意义和应用价值.绝大多数研究者从纳米材料的形貌及性能等方面做了大量的研究工作, 但是较少的从热力学角度去理解和阐述纳米材料的性质. 比热是物质结构与能量紧密关联的热力学特征参数, 因而更能从最根本的能量角度理解材料性能与结构的相关性. 

磁性材料

      低温量热是研究磁性材料磁性相互作用非常重要的一种实验方法. 与磁学性质测量方法相比, 低温量热技术因控温精度高而能精确探测磁相互作用发生的温度区间. 更重要的是, 不同的磁学性质对比热贡献会表现出不同类型的温度函数,因此通过研究磁性材料的低温比热性质可以判定材料磁学行为. 另外, 通过比热数据测量还可以得到磁相变熵, 进而通过该熵值来阐明其相变机理。如磷氧酸铁磁性材料，Fe-Zn-O磁性材料，分子基磁性材料，磁制冷材料。

铁电材料

    铁电材料是指具有铁电效应的一类材料. 铁电效应是指在某些晶体中由于晶体结构不对称性导致晶体中的正负电荷中心不重合而产生电偶极距, 电极化强度不为零, 晶体可自发极化, 且其方向可被外加电场反转或重新定向. 铁电材料除具有铁电性外,还呈现出介电性、压电性、热释电性、声光效应、光电效应、非线性光学效应以及光折变效应等诸多优良物理效应, 可广泛应用于电容器、压电传感器、铁电存储器、波导管、光学存储器等领域。

相变储热材料

      相变储热材料是利用物质发生物相转变时高温吸热及低温放热并保持体系温度不变的一类功能材料, 在储热储能领域具有重要研究意义和应用价值.评价相变材料储热性能的参数主要为材料的比热、相变焓及相变温度等热力学数据, 而量热技术是测量这些性能参数最准确可靠的实验手段. 虽然连续加热法(即DSC技术)被广泛应用于相变材料性能研究,但是这种方法测量误差较大; 而绝热量热法因具有非常高的准确性而表现出较大的优越性.

结论和展望

     低温量热技术作为测量与研究非反应体系凝聚态物质比热及其他热力学性质的一种经典且重要实验手段已经有100多年的发展历史. 从早期用于获取物质基础热力学函数到如今广泛应用于各种材料微观结构变化与热力学性质关联的探索, 足以证明低温量热技术这种传统热力学实验方法在材料研究领域的重要性和不可或缺性. 然而, 正是由于其经典性和传统性, 研究者似乎忽视了低温量热的应用, 而更多地去寻求一些新兴的实验手段开展材料性质研究工作. 在当前科学技术发展日新月异的潮流下, 量热学家的科研任务不仅要准确测量热力学数据, 还应多地利用这些实验数据从热力学角度发现、提出并一些重要的科学问题, 以使更多领域的研究者重视并大力使用这一技术. 另一方面, 低温量热技术的使用应该突破商品化量热仪器的限制, 应着重针对重大科学问题不断发展量热技术新理论、新方法以及新装置, 以使百年低温量热技术能焕发新的生命活力而得以长足发展。