雜質(zhì)對熱傳遞影響的理論模擬.pdf

1、熱電效應(yīng),也稱溫差電效應(yīng),是一種可以實現(xiàn)熱能和電能之間相互轉(zhuǎn)換的效應(yīng),可用于溫差發(fā)電或熱電制冷。相對于傳統(tǒng)的發(fā)電和制冷方式,利用熱電效應(yīng)進(jìn)行發(fā)電和制冷具有可靠性高,無污染等優(yōu)點。熱電效應(yīng)包括Seebeck效應(yīng),Peltier效應(yīng)和Thomson效應(yīng)。熱電材料的應(yīng)用非常廣泛,不僅可用于溫差發(fā)電,家電制冷,醫(yī)療器材等方面,并有望利用汽車尾氣進(jìn)行廢熱發(fā)電。熱電材料的性能一般由無量綱的優(yōu)值系數(shù)ZT值表示,ZT值越高,材料的熱電轉(zhuǎn)換效率越高。ZT

2、=S2σ/κ,其中S、σ、κ分別為Seebeck系數(shù)、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。目前制約熱電材料大規(guī)模應(yīng)用的主要原因就是過低的ZT值,所以提高熱電材料的ZT值就成了熱門研究方向。而提高熱電材料ZT值的主要方法之一就是通過調(diào)節(jié)材料組分來降低材料的熱導(dǎo)率。一般情況下,常溫發(fā)電的實際應(yīng)用要求ZT值大于等于1。在制冷方面,要想達(dá)到氟利昂壓縮制冷機(jī)的效率,要求材料的ZT值要大于等于3。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,計算機(jī)模擬已經(jīng)成了除了理論和實驗以外,對材料物理性

3、質(zhì)研究的重要手段,分子動力學(xué)模擬就是基于對小粒子的模擬來計算物質(zhì)的宏觀特性的學(xué)科。
　　 本論文為了研究在不同摻雜情況下,固體材料熱傳導(dǎo)所受到的影響,通過自編程序,分別對一維簡單原子鏈和二維晶格模型進(jìn)行了可視化的模擬。模擬過程利用牛頓第二定律和分子動力學(xué)中的Verlet算法,建立格點之間的運動方程。分別在體系內(nèi)摻入不同性質(zhì)的雜質(zhì),給定體系的一端一個初始位移,從而產(chǎn)生晶格振動,在此初始條件的基礎(chǔ)上求解粒子的運動方程,通過記錄聲子傳

4、播到末端粒子時的能量與初始能量的比值來判斷雜質(zhì)對熱傳導(dǎo)的影響。通過上述研究,本論文取得的主要創(chuàng)新之處如下:
　　 一、通過自編程序,可視化的模擬了一維簡單原子鏈和二維原子鏈在受到擾動下的振動情況。模擬結(jié)果顯示,晶格的振動要在兩個端面之間來回多次散射,最終把能量分散在整個晶格中。到達(dá)末端的第一個能量峰值為其攜帶的最大能量值,能量經(jīng)過幾次反射以后逐次降低。模擬結(jié)果還顯示任何不同于基體元素的雜質(zhì)都會對熱傳導(dǎo)產(chǎn)生一定程度的影響。

5、　　 二、以一維簡單原子鏈為模型,通過設(shè)置循環(huán)程序,分別模擬了在一維體系內(nèi)摻入不同質(zhì)量比、彈性系數(shù)比、分散度的雜質(zhì),計算得到了不同性質(zhì)雜質(zhì)阻礙體系內(nèi)能量傳遞的規(guī)律。
　　 三、以二維原子鏈為模型,通過設(shè)置循環(huán)程序,在相同體系內(nèi)摻入不同質(zhì)量比、彈性系數(shù)比、分散度的雜質(zhì),模擬計算得到了雜質(zhì)阻礙體系內(nèi)能量傳遞的規(guī)律。
　　 本論文分別以一維和二維晶格為模型,通過自編程序,可視化的模擬了能量在晶格內(nèi)部的傳遞。研究結(jié)果表明,若在

6、體系內(nèi)摻入相同數(shù)量的雜質(zhì),且雜質(zhì)具有相同的彈性系數(shù)比,質(zhì)量比取一組變化值,一維和二維的情況得到了相同的結(jié)果,即雜質(zhì)的質(zhì)量與基體材料原子質(zhì)量越相近,越不利于降低材料的熱導(dǎo)率。若在體系內(nèi)摻入相同數(shù)量的雜質(zhì),且雜質(zhì)具有相同的質(zhì)量比,彈性系數(shù)比取一組變化值,雜質(zhì)的彈性系數(shù)相對于基體材料原子的彈性系數(shù)越小,越有利于降低材料的熱導(dǎo)率。當(dāng)相同性質(zhì)和數(shù)量的雜質(zhì)分別以不同的分散度摻入相同的體系內(nèi)以后,模擬發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)放置的越分散,將越有利于阻礙晶格的能量傳遞