碳納米管熱傳導(dǎo)性能的分子動(dòng)力學(xué)仿真與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、碳納米管不僅可以用來(lái)制作單分子功能電子器件，以繼續(xù)微電子學(xué)的進(jìn)一步小型化進(jìn)程，而且可以用作熱界面材料，減輕當(dāng)前MEMS和計(jì)算機(jī)芯片中所面臨的熱問(wèn)題，同時(shí)也是當(dāng)前熱管理領(lǐng)域熱點(diǎn)方向——納米流體和熱整流的主要研究對(duì)象。本文以分子動(dòng)力學(xué)為主要研究手段，結(jié)合理論分析，研究了碳納米管的導(dǎo)熱性能。 用平衡態(tài)分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了扶手椅型單壁碳納米管的導(dǎo)熱性能，分析了模擬長(zhǎng)度對(duì)其導(dǎo)熱性能的影響。表征局部結(jié)構(gòu)的徑向分布函數(shù)和角度分布函數(shù)驗(yàn)證了Te

2、rsoff-Brenner作用勢(shì)的正確性。模擬結(jié)果顯示，相對(duì)于單壁碳納米管較長(zhǎng)的聲子平均自由程，納米級(jí)的長(zhǎng)度并未能使導(dǎo)熱系數(shù)收斂，驗(yàn)證了平衡態(tài)分子動(dòng)力學(xué)模擬中尺寸效應(yīng)的存在。 在不同長(zhǎng)度和不同溫度下，對(duì)同位素?fù)诫s和含有空穴的單壁碳納米管的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了平衡態(tài)分子動(dòng)力學(xué)模擬。結(jié)果表明，二者均會(huì)降低單壁碳納米管的導(dǎo)熱性能，結(jié)合Callaway理論模型分析，空穴對(duì)聲子的散射更為明顯，導(dǎo)致了導(dǎo)熱系數(shù)的顯著降低。隨著溫度的升高，完美和含有

3、缺陷的單壁碳納米管的導(dǎo)熱系數(shù)均降低，三者的差異逐漸減小，說(shuō)明高溫區(qū)，三聲子U散射已經(jīng)是影響導(dǎo)熱系數(shù)的主要因素。 運(yùn)用非平衡態(tài)分子動(dòng)力學(xué)模型模擬了單壁碳納米管的導(dǎo)熱性能，并與平衡態(tài)模擬結(jié)果進(jìn)行了比較。1000K時(shí)，各向異性非平衡態(tài)分子動(dòng)力學(xué)模擬得到了與平衡態(tài)分子動(dòng)力學(xué)較為一致的模擬結(jié)果，室溫300K時(shí)，各向同性非平衡態(tài)分子動(dòng)力學(xué)的模擬結(jié)果與平衡態(tài)分子動(dòng)力學(xué)也較為一致。通過(guò)總結(jié)得出結(jié)論，單壁碳納米管應(yīng)該具有很長(zhǎng)的彈道長(zhǎng)度和相對(duì)較低的

4、導(dǎo)熱系數(shù)，只有在其長(zhǎng)度超過(guò)其微米量級(jí)的聲子平均自由程，其優(yōu)異的導(dǎo)熱性能才能得以體現(xiàn)。 使用平衡態(tài)分子動(dòng)力學(xué)模型，模擬了不同類型單壁碳納米管的導(dǎo)熱性能，并分析了直徑和溫度對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)的影響。模擬中，發(fā)現(xiàn)單壁碳納米管具有熱收縮現(xiàn)象，適于零熱膨脹系數(shù)合成材料的研發(fā)。結(jié)果顯示，手性對(duì)單壁碳納米管導(dǎo)熱系數(shù)的影響不如對(duì)導(dǎo)電率的影響那么明顯，在直徑相差無(wú)幾時(shí)，鋸齒型單壁碳納米管的導(dǎo)熱系數(shù)要高于扶手椅型，并且直徑越小，單壁碳納米管的導(dǎo)熱系數(shù)越大