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碳纳米管热导率的分子动力学研究取得进展
发稿时间:2014-03-10         作者:冯雅          来源:传热传质研究中心     【字号:

  制造工艺的发展使得电子器件微型化到纳米量级。同时,尺寸的急剧减小导致器件内能量密度的剧增,散热也就成为限制微型化进一步发展的严峻问题。碳纳米管的高热导率能为散热问题提供解决之道。研究者们对于CNT热导率的研究兴趣高涨,相关的实验、理论、模拟研究都试图找到CNT热导率的最优状态以应用于微型器件的散热。 

  单壁碳纳米管(SWNT)由单层石墨烯曲卷而成,由于实验方面的诸多困难,对于单根碳纳米管的热导率较为成功的实验测量直90年代末以及20世纪初才报道出来。工程热物理所传热传质中心很早就有研究者开始用方法测量SWNT的高热导率。然而,由于优质样品的短缺以及实验的困难使得分子动力学模拟成为研究碳纳米管的有效手段。关于长度、温度、杂质、手性对SWNT热导率的影响规律已经有了大量的模拟研究工作,其规律性也有了较广泛的共识,然而直径对热导率的影响规律研究的相关报道较少。随着SWNT管长的增加热导率一直增加,但增长的速度会逐渐减小,声子传输逐渐由纯弹道式向扩散式转变,之后热导率会逐渐收敛到有限值而达到完全扩散输运。本文就选取管长小于声子平均自由程的纯弹道式输运区,研究管直径对其热导率的影响规律。  

  近期,传热传质研究团队应用非平衡分子动力学(NEMD)方法研究直径对SWNT热导率的影响。研究人员将碳纳米管两端设为固壁,这其中的所有原子在模拟过程中保持不动,以防止在模拟过程中蒸发,临近固壁两端的分别为热区和冷区。通过对系统外加温度梯度施加扰动建立非平衡导热过程,再根据Fourier导热定律得到材料的热导率。 

  -碳原子间相互作用采用AIREBO是能函数来描述。热流太大引起温降过大会导致非线性效应,而热流太小在统计温度涨落时又会导致较大的误差。所以,为了建立合理的温度梯度以减小误差,在增大直径的同时有必要增大热流,研究人员通过一系列实验重点研究了热流对热导率的影响。研究结果表明:1.采用特定长度的碳纳米管,热导率对碳纳米管管径的依赖性不大,原因在于声子在此管长(160Å)区间内的传输为纯弹道式传输;结果还发现热导率的标准误差随管径的增大逐渐减小。2.热流的增大导致冷热区温差的增大,且在某临界下,温差随热流线性增大,之后陡增;相应的热导率在临界以下随热流小幅度增大,之后猝然下降。对于临界之后的区域,可能是非傅里叶导热引起的突变。下一步,研究人员将对大热流下的非傅里叶导热进行进一步研究。 

  1 单壁碳纳米管的模拟结构及结果 

 

 
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