碳納米管熱傳導性能的分子動力學仿真與實驗研究.pdf

1、碳納米管不僅可以用來制作單分子功能電子器件，以繼續(xù)微電子學的進一步小型化進程，而且可以用作熱界面材料，減輕當前MEMS和計算機芯片中所面臨的熱問題，同時也是當前熱管理領域熱點方向——納米流體和熱整流的主要研究對象。本文以分子動力學為主要研究手段，結(jié)合理論分析，研究了碳納米管的導熱性能。 用平衡態(tài)分子動力學方法模擬了扶手椅型單壁碳納米管的導熱性能，分析了模擬長度對其導熱性能的影響。表征局部結(jié)構(gòu)的徑向分布函數(shù)和角度分布函數(shù)驗證了Te

2、rsoff-Brenner作用勢的正確性。模擬結(jié)果顯示，相對于單壁碳納米管較長的聲子平均自由程，納米級的長度并未能使導熱系數(shù)收斂，驗證了平衡態(tài)分子動力學模擬中尺寸效應的存在。 在不同長度和不同溫度下，對同位素摻雜和含有空穴的單壁碳納米管的導熱系數(shù)進行了平衡態(tài)分子動力學模擬。結(jié)果表明，二者均會降低單壁碳納米管的導熱性能，結(jié)合Callaway理論模型分析，空穴對聲子的散射更為明顯，導致了導熱系數(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熱系數(shù)均降低，三者的差異逐漸減小，說明高溫區(qū)，三聲子U散射已經(jīng)是影響導熱系數(shù)的主要因素。 運用非平衡態(tài)分子動力學模型模擬了單壁碳納米管的導熱性能，并與平衡態(tài)模擬結(jié)果進行了比較。1000K時，各向異性非平衡態(tài)分子動力學模擬得到了與平衡態(tài)分子動力學較為一致的模擬結(jié)果，室溫300K時，各向同性非平衡態(tài)分子動力學的模擬結(jié)果與平衡態(tài)分子動力學也較為一致。通過總結(jié)得出結(jié)論，單壁碳納米管應該具有很長的彈道長度和相對較低的

4、導熱系數(shù)，只有在其長度超過其微米量級的聲子平均自由程，其優(yōu)異的導熱性能才能得以體現(xiàn)。 使用平衡態(tài)分子動力學模型，模擬了不同類型單壁碳納米管的導熱性能，并分析了直徑和溫度對其導熱系數(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，手性對單壁碳納米管導熱系數(shù)的影響不如對導電率的影響那么明顯，在直徑相差無幾時，鋸齒型單壁碳納米管的導熱系數(shù)要高于扶手椅型，并且直徑越小，單壁碳納米管的導熱系數(shù)越大