低維納米體系的熱傳導(dǎo)性質(zhì)研究.pdf

1、隨著納米科學(xué)與工程技術(shù)的發(fā)展,納米尺度上的熱傳導(dǎo)問(wèn)題已經(jīng)成為全世界科學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)之一。盡管有了十多年的研究歷史,但是由于實(shí)驗(yàn)條件的限制,以及理論模擬研究也都處于一個(gè)尚未成熟的階段,人們對(duì)納米尺度上的熱傳導(dǎo)機(jī)制仍然不清晰。為了更深入地探索納米尺度上的熱傳導(dǎo)機(jī)制,了解納米材料的熱傳導(dǎo)性能,我們研究了低維納米體系的熱傳導(dǎo)性質(zhì)。
　　本論文首先介紹了低維納米材料的研究背景以及研究其熱傳導(dǎo)性質(zhì)的重要性。繼而通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)方法,研究了碳納米

2、管、石墨帶、以及冰納米管的熱傳導(dǎo)性質(zhì),探討了納米尺度上的熱傳導(dǎo)機(jī)制。最后,通過(guò)-維原子鏈模型提出了調(diào)控納米材料熱導(dǎo)率的新方法,并且通過(guò)實(shí)例說(shuō)明了其有效性。
　　本文的內(nèi)容如下:
　　(1)第一章,介紹了低維納米材料的研究背景和應(yīng)用前景,并闡述了研究其熱傳導(dǎo)性質(zhì)的重要性。
　　(2)第二章,介紹了分子動(dòng)力學(xué)方法的基本理論和分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算納米體系熱傳導(dǎo)的常用方法。
　　(3)第三章,考察了計(jì)算碳納米管熱導(dǎo)率時(shí),不同分

3、子動(dòng)力學(xué)模擬方法及模擬技術(shù)對(duì)熱導(dǎo)率的影響,得到了非常自洽的、合理的結(jié)果。發(fā)現(xiàn)使用不同的分子動(dòng)力學(xué)模擬方法和技術(shù)得到的熱導(dǎo)率差異不是很大。進(jìn)一步提出,不同理論小組得到的熱導(dǎo)率存在很火差異的原因,可能與其模擬的碳管長(zhǎng)度和對(duì)碳管截面積的定義不同有很大關(guān)系。
　　(4)第四章,使用非平衡分子動(dòng)力學(xué)方法研究了石墨帶的熱導(dǎo)傳導(dǎo)性質(zhì)與其長(zhǎng)度、寬度、以及軸向應(yīng)變的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)石墨帶具有非常大的聲子平均自由程以及很高的熱導(dǎo)率。并且,石墨帶的熱傳導(dǎo)性質(zhì)

4、對(duì)其邊界形狀非常敏感。對(duì)于鋸齒型石墨帶,其熱導(dǎo)率隨寬度的增加先增大后減小;而對(duì)于扶手椅型石墨帶,其熱導(dǎo)率單調(diào)地隨寬度增加而增大。進(jìn)一步提出了邊界效應(yīng)與聲子散射效應(yīng)相互競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)制來(lái)解釋這一有趣的現(xiàn)象。同時(shí),還研究了軸向應(yīng)變對(duì)石墨帶熱傳導(dǎo)性質(zhì)的影響,發(fā)現(xiàn)無(wú)論是軸向壓應(yīng)變還是拉應(yīng)變都顯著地降低其熱導(dǎo)率。
　　(5)第五章,通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)方法研究了各種冰納米管的熱傳導(dǎo)性質(zhì),以及碳納米管的限制作用對(duì)其熱傳導(dǎo)性質(zhì)的影響。發(fā)現(xiàn)相比于塊體冰結(jié)構(gòu),

5、冰納米管具有異常高的熱導(dǎo)率和非常大的聲子平均自由程。這可能是由于其獨(dú)特的-維質(zhì)子有序結(jié)構(gòu)引起的。此外,冰納米管的熱傳導(dǎo)性質(zhì)與溫度,管長(zhǎng),以及管徑密切相關(guān),而與其本身的極化關(guān)系不大。并且碳納米管的限制作用能夠大大提高冰納米管的熱傳導(dǎo)性能。
　　(6)第六章,通過(guò)耦合原子鏈模型,提出了一個(gè)調(diào)控納米材料熱傳導(dǎo)性能的新方法:即通過(guò)與不同的基底耦合,材料的熱導(dǎo)率可以被顯著地減小或增大。通過(guò)雙壁碳納米管和冰納米管的實(shí)例,進(jìn)一步證明了該方法在真