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固体材料的相变研究及其在能源存储中的应用近年来，随着能源危机的日益加剧，人们对于寻找替代能源的需求不断增长。
同时，固体材料的相变研究成为了一个热门话题。
相变是材料的结构和性质发生变化的过程，在固体材料中，相变可以是首要的力学、电学和热学性质的来源。
因此，固体材料的相变研究不仅在物理学领域占有重要的位置，同时也在能源存储领域展现出无限的潜力。
本文将介绍固体材料相变的相关知识，以及其在能源存储中的应用。
一、固体材料相变的基本概念相变是一个基本的物理现象，在整个自然界中都普遍存在。
在固体材料中，相变可以分为两类，即一阶相变和二阶相变。
一阶相变是指物质在相变过程中需要吸收或者释放一定的热量。
例如冰的融化和冷凝水的汽化过程就是一阶相变。
在一阶相变过程中，材料的内部结构会发生相当大的变化，比如晶体的晶格结构和晶胞大小等都可能发生变化。
二阶相变是指物质在相变过程中不需要吸收或者释放热量，例如磁体在失去磁性时的相变。
相较于一阶相变，二阶相变时材料的内部结构变化相对较为微小。
二、固态材料相变在能源存储中的应用相变是材料性质发生变化的标志，如何利用相变来解决实际问题成为了当前研究的重点之一。
能源存储是一个热门研究领域，相变材料作为能量存储材料，在实际应用方面具有广泛的应用前景。
以下是固态材料相变在能源存储中的应用：1、相变储热材料相变材料也被称为储热材料，因为它们可以吸收和释放热量，这使得它们的应用在节能和环保方面有很好的应用前景。
例如，对于太阳能，我们无法在光照充足时将其收集起来存储下来，但使用相变储热材料，光照充足时太阳能可以转化为热能并暂时被储存在相变储热材料中，当需要使用能量时，储热材料将释放出它存储的热能。
2、相变储能材料相变储能材料是指在相变过程中能够吸收和释放电能的材料。
目前，相变储能材料主要应用在锂离子电池和超级电容器中。
相比较锂离子电池和超级电容器中常用的电极材料，相变材料具有体积重量比低、充放电速率快、循环寿命长等优点，因此被广泛应用在储能领域的研究中。
《固态相变》前沿材料与科技教学案例探讨
袁媛;章立钢;吴量;王勇;王敬丰
【期刊名称】《当代化工研究》
【年(卷),期】2024()10
【摘要】《固态相变》是材料科学与工程学科本科教学和研究生教学的基础专业课程,是材料科学领域的经典基础理论之一。
但目前《固态相变》教程主要基于传统钢铁材料中的相变案例,难以激发学生对固态相变在新型材料与科技领域中的思考与应用。
本文结合目前材料与能源领域发展前沿方向,举例了固态相变在现代先进材料科技领域中的应用案例,特别的,结合了我国学者在固态相变方向的丰富研发成果,以激发学生对固态相变的兴趣、深入理解与思考,提升学生的应用实践能力,并提升学生的爱国热情、国家荣誉感与责任感。
【总页数】3页(P119-121)
【作者】袁媛;章立钢;吴量;王勇;王敬丰
【作者单位】重庆大学材料科学与工程学院;中南大学材料科学与工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】G642
【相关文献】
1.固态相变课程的课堂互动与案例教学初探
2.科技前沿在《高分子材料学》课程教学上的应用
3.适用于非金属材料专业的《固态相变》课程教学初探
4.初中化学教
学中渗透科技前沿知识的研究——以“有机合成材料”为例5.《仿生材料》前沿案例教学改革实践与探索
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沈阳工业大学：固态相变及应用电子教案一、课程简介1.1 课程背景固态相变是材料科学和工程领域中的一个重要研究方向，涉及到固体材料的结构、性能及应用。
本课程旨在帮助学生了解固态相变的基本理论、实验方法及其在工程应用中的重要性。
1.2 课程目标通过本课程的学习，学生将能够：（1）理解固态相变的基本概念及分类；（2）掌握固态相变的基本理论及实验方法；（3）了解固态相变材料在工程应用中的案例及前景。
二、教学内容2.1 固态相变的基本概念（1）相变及相变的类型；（2）固态相变的驱动力及影响因素。
2.2 固态相变的分类与特点（1）马氏体相变；（2）贝氏体相变；（3）奥氏体相变；（4）超导相变。
三、教学方法3.1 课堂讲解通过讲解固态相变的基本概念、分类及特点，使学生掌握固态相变的基本知识。
3.2 实验演示通过实验演示，使学生直观地了解固态相变的过程及特点。
3.3 案例分析分析固态相变材料在工程应用中的实际案例，帮助学生了解固态相变材料在工程领域的重要性。
四、教学评估4.1 课堂问答通过提问的方式检查学生对固态相变基本概念的理解程度。
4.2 实验报告评估学生在实验过程中的观察能力及分析问题的能力。
4.3 课程论文五、教学安排5.1 课时共计32课时，包括16次课堂讲解、8次实验演示及8次案例分析。
5.2 教学进度安排（1）第1-8次课堂讲解固态相变的基本概念及分类；（2）第9-16次实验演示，观察固态相变过程及特点；（3）第17-24次案例分析，研究固态相变材料在工程应用中的案例；（4）第25-28次课堂问答，检查学生对课程内容的掌握程度；六、实验与实践6.1 固态相变实验（1）奥氏体到铁素体的转变实验；（2）马氏体到奥氏体的逆转相变实验；（3）贝氏体相变实验；（4）超导相变实验。
6.2 实验技能培养（1）实验设备的操作与维护；（2）实验数据的采集与处理；七、固态相变在工程中的应用7.1 固态相变材料在结构件中的应用（1）模具材料；（2）高速切削工具材料；（3）汽车发动机部件材料。
固态相变动力学基础、前沿与实践刘永长(E-mail:licmtju@)Fundamentals , Frontiers and Practices in Solid-statePhase TransformationKinetics主要内容•引言•固态相变动力学理论基础•相变动力学模块化解析模型的建立•相变动力学研究范例※形核和生长机制的影响※块状相变临界条件的确定•主要结论主要内容•引言•固态相变动力学理论基础•相变动力学模块化解析模型的建立•相变动力学研究范例※形核和生长机制的影响※块状相变临界条件的确定•主要结论相变定义及类型固态相变作为凝聚态物理、材料科学领域的重要科学问题，是指在外界条件改变时物相在某一特定条件下发生的突变，具体为：（1）结构变化；（2）化学成分不连续变化；（3）更深层次序结构的变化并引起物理性质的突变。
热力学：固态相变总是朝Gibbs能降低的方向进行。
动力学：固态相变动力学机制的不同导致相变产物的多样性，为实现材料组织控制提供了可能。
(a)一级和(b)二级相变的相图特征相变可分为一级相变和高级相变。
相变点两相的Gibbs能必须连续、相等，但其各阶导数却可能不连续。
相变点一级导数不相等的称为一级相变，即熵与体积呈不连续变化，即相变时会伴随潜热和体积的突变。
一级相变过程往往属于结构上的重构，在动力学上常常出现相变滞后的现象。
»合金固态相变课程仅涉及到一级相变，通过记录相变过程的热效应和体积效应随时间的变化关系为动力学机制研究提供了可能。
固态相变示例:非晶合金晶化过程非晶合金晶化过程非晶合金是一种从熔体冷却成固体时没有发生结晶过程的材料，因其独特的长程无序结构而具有优异的力学、物理和化学性能。
非晶合金晶化过程原位组织观察非晶Al85Ni8Y5Co2合金500 K保温晶核枝晶分子动力学模拟主要内容•引言•固态相变动力学理论基础•相变动力学模块化解析模型的建立•相变动力学研究范例※形核和生长机制的影响※块状相变临界条件的确定•主要结论基本概念•形核：大于临界晶核半径的晶核的形成过程。
形核率：单位时间和单位体积内形成的晶核数目，取决于临界晶核数目和原子在两相界面间的跃迁频率。
位置饱和形核、连续形核、Avrami形核、混合形核稳态形核、瞬态形核•生长：新相与母相之间的相界面迁移过程。
扩散控制：存在原子长程扩散，扩散影响相变进程。
界面控制：存在原子界面附近短程扩散，相变速率取决于原子在界面处的可动性。
形核模型位置饱和形核Avrami形核连续形核混合形核稳态形核瞬态形核生长模型界面控制生长扩散控制生长* 扩散控制生长速度要低于界面控制生长速度！碰撞修正模型硬膨胀——粒子相互间的重叠软膨胀——长大粒子周围可能的扩散域叠加晶核随机分布晶核非随机分布各向异性生长实际情况往往更接近于“中间分布状态”主要内容•引言•固态相变动力学理论基础•相变动力学模块化解析模型的建立•相变动力学研究范例※形核和生长机制的影响※块状相变临界条件的确定•主要结论∫−)()()exp(t T T GdT RTQ τKT 500)(=τ以往常用和新温度积分近似处理后计算得到的结果对比Q G =250kJmol -1,∫非晶Zr 60Al 15Ni 25合金在不同加热速率下等时晶化过程差热分析测量结果与不同温度积分近似处理的解析模型（连续形核和界面控制生长）计算结果对比(a )新方法，(b ) 以往常用方法»新温度积分近似处理使得模型拟合精度大大提高！该项工作由05届本科生王冬江完成，结果发表在Appl Phys A 92(2008)703和J Non-Cryst Solids 354(2008)3990上。
主要内容•引言•固态相变理论基础•相变动力学模块化解析模型的建立•相变动力学研究范例※形核和生长机制的影响※块状相变临界条件的确定•主要结论形核：非晶Mg80Cu10Y10合金等温晶化动力学淬火态0.000.000预退火(1h at 428 K)-0.005-0.01 -0.02 -0.03 -0.04 -0.05 -0.06 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 t (s)-0.030dΔH/dt (J s g )-1dΔH/dt (J s g )-1-1-1-0.010 -0.015 -0.020 -0.025440.7 K 438.2 K 435.7 K 433.2 K 431.7 K 430.2 K438.2 K 435.7 K 433.2 K 430.7 K 428.2 K 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 t (s)− n(t )Q (t ) ⎞ ⎞ ⎛ f = 1 − exp⎜ − K 0 (t )n (t ) t n (t ) exp⎛ ⎜ ⎟⎟ RT ⎝ ⎠⎠ ⎝相变动力学解析模型： Avrami形核+扩散控制生长+晶核随机分布QN: QG: n:形核激活能 生长激活能 生长指数不同预处理非晶Mg80Cu10Y10合金等温晶化后组织形态形核激 活能 kJ/mol 182 198 生长激 活能 kJ/mol 357 252 淬火、晶化后组织 预退火、晶化后组织(1h at 428 K)QNQGFe-C合金等温奥氏体-铁素体相变过程生长机制的转变1107.7 K保温Fe-0.04at.%C合金等温奥氏体－铁素体相变相变动力学模型：位置饱和+晶核随机分布+生长？相变分数随时间的变化关系 （注意时间轴为对数坐标）相变速率随时间的变化关系Liu YC, Wang DJ, et al. Acta mater 56 (2008) 3833.等温奥氏体→铁素体相变后试样织构分析⇒织构分析 结果表明相 变后组织中 在粗大的晶 粒中形成大 量小晶粒， 其可能原因 是生长过程 生长模式发 生转变。
相变模型 形核 (位置饱和) 生长 (第一阶段为界面控制生 长，第二阶段为扩散控制生长) 碰撞修正 (随机分布) 相变动力学解析模型分析确 定的第一和第二阶段的生长激 活能分别为:QI-C=140 kJ mol-1 QD-C=70 kJ mol-1 这表明在等温奥氏体－铁素 测量得到和相变动力学模型计算 确定的Fe-0.04at.%C 合金等温 体相变过程的确存在由界面控 奥氏体－铁素体相变速率对比图 制生长向扩散控制生长的转 变！主要内容• 引言 • 固态相变理论基础 • 相变动力学模块化解析模型的建立 • 相变动力学研究范例 ※形核和生长机制的影响 ※块状相变临界条件的确定 • 主要结论块状相变（Massive Transformation)背景：介于马氏体相变和长程扩散型相变间的一种短程扩散/ 界面控制生长的转变，长期以来对其相变临界条件的确定存 在较大分歧（临界温度位于两相Gibbs能相等的T0温度还是新 相固溶线温度？），美国材料研究学会曾于1980年和2000年 就该问题两次召开会议讨论，迄今未能达成统一的意见。
特点:无成分变化、母相通过相界面处原子的热激活跃迁而形 核并长大、界面移动速度比扩散控制型相变高。
快淬Cu-38.7Zn合金 中沿晶界形成的块 状αm相扩散控制生长Transition?界面控制生长相变驱动力的影响 范例：块状相变临 界温度的确定通过假设不同界面可动性大小采用相 场法模拟确定Fe-C合金块状相变临界 转变温度大小* Jerkont. Ann. 1957; 141: 757, Acta mater 1999; 47: 4481 & Acta Mater 2003; 51: 1327To=1181.4 KTα/γ =1166.0 K不同冷速下Fe-0.01at.%C合金 相变速率随温度的变化关系标有To温度的二元Fe-C合 金局部相图.主相变峰动力学机制分析：位置饱和+界面控制生长+晶核随机分布相变模型计算得到的相变速率与实验测量值的对比图&计算确定的界面移动速率基本保持不变，因此该相变过程可认为是界面控制生长过程（即块状相变）。
相变模型计算得到的界面移动速率大小.不同冷速下Fe-0.01at.%C晶粒大小分布图模型计算界面移动速率与小晶粒估算界面移动速率对比采用前面的分析方法，通过配制不同成分的Fe-C合金并测量其在不同冷却速率下的块状相变过程，由此可确定出块状相变发生的临界温度（见下图）Liu YC, et al. Inter J Mater Res99(2008)925主要内容•引言•固态相变理论基础•相变动力学模块化解析模型的建立•相变动力学研究范例※形核和生长机制的影响※块状相变临界条件的确定•主要结论¤固态相变机理可以很好的通过模块化相变动力学解析模型和相变分数变化过程来确定。
¤固态相变动力学分析主要取决于：§精确的测量信息；§模块化动力学解析模型。
¤合金固态相变前沿蕴含于：☆发展恰当的相变动力学解析模型；☆合理改变外部参量来考察相变过程；☆动力学过程应该着重考虑形核、生长和相变驱动力的变化规律。
课后思考题•相变动力学过程主要的实验研究手段有哪些？在获得相变过程准确动力学信息以后该如何进一步澄清其相变机制？•固态相变动力学解析模型的建立应包含哪几个环节？•谢谢。
