柱狀石墨烯界面熱特性的分子動力學(xué)模擬.pdf

1、近年來，散熱已經(jīng)成為能量密度越來越高的電子器件的一個重要課題。作為散熱系統(tǒng)的重要組成部分，熱界面材料受到工業(yè)界和研究人員的廣泛重視。為了改進傳統(tǒng)熱界面材料易老化、不耐疲勞和存在腐蝕等問題，碳納米管及石墨烯相關(guān)的熱界面材料被提出。但是，納米管與熱沉之間存在較高的界面熱阻，石墨烯的法向熱導(dǎo)率又偏小，基于納米管和石墨烯的熱界面材料性能有待進一步的提高。
　　為了充分利用納米管垂直方向的高導(dǎo)熱性以及石墨烯的平整性，本文提出了一種新的熱界面

2、材料——柱狀石墨烯。該結(jié)構(gòu)以多層石墨烯為基礎(chǔ)，石墨烯的層與層之間通過納米管連接。這樣，與熱沉接觸的是平整的石墨烯，法向?qū)岬氖羌{米管，有望同時具備低接觸熱阻和高的法向熱導(dǎo)。
　　通過分子動力學(xué)方法，研究了結(jié)構(gòu)本身以及它與不同熱沉的熱導(dǎo)隨溫度、石墨烯層數(shù)、納米管密度等的變化關(guān)系。研究中建立了兩種柱狀石墨烯基本結(jié)構(gòu)，一種是頂部和底部為石墨烯，中間為碳納米管，稱為Ⅰ型柱狀石墨烯;另一種是頂部、底部和中部均為石墨烯，石墨烯之間為碳納米管，

3、稱為Ⅱ型柱狀石墨烯。
　　首先，研究了柱狀石墨烯本身的熱學(xué)特性，主要設(shè)置了兩個變量:體系中的碳納米管數(shù)目和環(huán)境溫度。從結(jié)果可知，兩種柱狀石墨烯結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)均隨碳納米管數(shù)的增加而線性增大，最大可比同尺寸厚度相同的純石墨烯結(jié)構(gòu)高出2個數(shù)量級，這證明由于納米管的加入，柱狀石墨烯在垂直方向的熱導(dǎo)性能優(yōu)良。柱狀石墨烯的熱導(dǎo)隨環(huán)境溫度的升高而增大，體現(xiàn)了納米管與石墨烯的結(jié)合處聲子散射隨溫度升高而減弱的特點。
　　其次，研究了柱狀石墨烯置于

4、兩個銅熱沉之間的熱特性。對于Ⅰ型柱狀石墨烯/銅復(fù)合體系中，熱導(dǎo)先隨著納米管數(shù)目的增加而增加，當(dāng)碳納米管數(shù)大于10時，熱導(dǎo)達到飽和。分析表明，納米管之間的熱耦合以及石墨烯孔隙率的增大，使得從銅到柱狀石墨烯之間的溫度跳變增大，因而整個體系的熱導(dǎo)不再增加。對于Ⅱ型柱狀石墨烯/銅復(fù)合體系，由于中間石墨烯層對垂直方向聲子輸運的散射作用，熱導(dǎo)始終比Ⅰ型柱狀石墨烯/銅結(jié)構(gòu)更小。另外，當(dāng)環(huán)境溫度大于450K時，兩種柱狀石墨烯復(fù)合體系的熱導(dǎo)不隨環(huán)境溫度的

5、增加而增大。這是由于，當(dāng)溫度過高時，銅內(nèi)部原子運動加劇，阻礙了柱狀石墨烯中碳納米管的有效熱傳導(dǎo)，使得整個體系的熱導(dǎo)不再增大。
　　再次，研究了柱狀石墨烯介于銅和硅之間的熱特性。結(jié)果表明，在硅/Ⅰ型柱狀石墨烯/銅復(fù)合體系中碳納米管數(shù)大于12時，體系的熱導(dǎo)便不再隨碳納米管數(shù)的增加而增大，并且在硅/Ⅱ型柱狀石墨烯/銅中碳納米管數(shù)大于6時，體系的熱導(dǎo)也不再隨碳納米管數(shù)的增加而增大。這說明，硅使得整個體系的導(dǎo)熱性質(zhì)發(fā)生了改變，當(dāng)柱狀石墨烯中