α-Al_2O_3介孔材料导热特性的模拟

本文针对α-Al2O3有序介孔材料的导热特性开展分子动力学模拟分析.提出了一种保证电中性的孔道结构构造方法;采用逆非平衡分子动力学方法(muller-plathe法),选取Matsui势为作用势,模拟计算了Al2O3介孔晶体材料在不同环境温度下沿孔道轴向方向的热导率;并借助全面实验分析法,设计了模拟条件,以考察孔径和孔隙率对热导率的影响.模拟结果显示:介孔Al2O3热导率先随温度的升高呈上升趋势,并在200—400 K之间取得极值;而后在400—1400 K范围内,热导率随温度的升高几乎呈线性下降.孔隙率一定时,随孔径增大,介孔Al2O3材料比表面积降低,界面散射的抑制作用减弱,使材料热导率略有上升;孔径一定时,随孔隙率上升,孔道壁面声子数减少,材料热导率下降明显;相对于孔径因素,材料孔隙率对声子导热影响更大.     

介孔材料MCM-41的导热研究

文章根据二氧化硅介孔材料MCM-41纳米孔结构特点,首先建立和验证了纳米结构单元模型,然后使用平衡分子动力学方法模拟了孔壁热导率;接着耦合孔隙内气体导热,开展了一维传热分析,最终提炼出MCM-41的有效热导率表达式;并对壁厚、孔径和孔隙率对热导率的影响进行了分析.研究结果表明,MCM-41具有良好的绝热性能,其有效热导率随孔隙率增大近似呈线性减小,且表现出各向异性;导热性能沿孔道长度方向表现出准一维特性. 关键词： 有效热导率 介孔材料 MCM-41 平衡分子动力学     

考虑界面散射的金属纳米线热导率修正

理论分析了声子和电子输运对Cu, Ag金属纳米线热导率的贡献. 采用镶嵌原子作用势模型描述纳米尺寸下金属原子间的相互作用, 应用平衡分子动力学方法和Green-Kubo函数模拟了金属纳米线的声子热导率; 采用玻尔兹曼输运理论和Wiedemann-Franz定律计算电子热导率; 并通过散射失配模型和Mayadas-Shatzkes模型引入晶界散射的影响. 在此基础上, 考察分析了纳米线尺度和温度的影响. 研究结果表明: Cu, Ag纳米线热导率的变化规律相似; 电子输运对金属纳米线的导热占主导地位, 而声子热导率的贡献也不容忽视; 晶界散射导致热导率减小, 尤其对电子热导率作用显著; 纳米线总热导率随着温度的升高而降低; 随着截面尺寸减小而减小, 但声子热导率所占份额有所增加. 关键词： 纳米线 热导率 表面散射 晶界散射     

石墨烯纳米网中的声子干涉效应

石墨烯纳米网(GNM)是一种具有周期性纳米孔分布的单层石墨烯,在热电能量转换、热能存储、场效应晶体管等领域具有广阔的应用前景.本文采用非平衡分子动力学与晶格动力学的方法对GNM的热输运机理进行研究.结果表明:GNM的导热系数随纳米孔数量的增加而减小,部分原因归因于声子布拉格散射引起的带隙产生和声子群速度的降低;横向和纵向纳米孔的间距共同影响GNM热输运过程,当水平间距较小时,GNM的导热系数随纵向间距的增大单调减小,随横向间距的增大单调增大;随着水平间距的增大,在声子干涉和散射的共同作用下,导热系数产生明显的波动.这些结论可为GNM中的热输运调控提供理论参考.     

含有倾斜界面硅/锗超晶格的导热性能

采用非平衡分子动力学(NEMD)方法模拟含有倾斜界面的硅/锗(Si/Ge)超晶格在不同倾斜角、不同周期长度、不同样本长度和不同温度下的导热性能.模拟结果表明, Si/Ge超晶格的热导率随着界面倾斜角的增加而非单调变化.当周期长度为4—8原子层时,界面倾斜角为45°的热导率比其他界面倾斜角时热导率增大了一个数量级,且热导率随样本长度的增加而增加,随温度的增加而减小.然而当周期长度为20原子层时,由于声子局域化的存在,热导率对样本长度和温度的依赖性都较弱.     

纳米SiO2材料声子热输运的格子玻尔兹曼法模拟

根据德拜物理模型,采用格子玻尔兹曼方法（LBM）对纳米二氧化硅薄膜内的声子热输运特性进行了模拟分析,得到了薄膜内的温度响应特性;在此基础上,分析了其法向有效导热系数。计算结果表明,当努森数大于0．01时,薄膜边界处出现温度跳跃,呈现出明显的微纳米尺度传热特性;当薄膜厚度小于20nm时,减小厚度可使其有效导热系数迅速降低...     

多约束纳米结构的声子热导率模型研究

纳米技术的快速发展使得对微纳尺度导热机理的深入研究变得至关重要. 理论和实验都表明, 在纳米尺度下声子热导率将表现出尺寸效应. 基于声子玻尔兹曼方程和修正声子平均自由程的方法得到了多约束纳米结构的声子热导率模型, 可以描述多个几何约束共同作用下热导率的尺寸效应. 不同几何约束对声子输运的限制作用可以分开计算, 总体影响则通过马西森定则进行耦合. 对于热流方向的约束, 采用扩散近似的方法求解声子玻尔兹曼方程; 对于侧面边界约束, 采用修正平均自由程的方法计算边界散射对热导率的影响. 得到的模型能够预测纳米薄膜(法向和面向)及有限长度方形纳米线的热导率随相应特征尺寸的变化. 与蒙特卡罗模拟及硅纳米结构热导率实验值的对比验证了模型的正确性.     

碳纳米管电缆式复合材料的热导率

通过非平衡分子动力学方法, 对单壁碳管填充金纳米线的碳纳米管电缆式复合材料开展热导率的模拟分析. 采用Tersoff势函数描述碳-碳原子间的相互作用, Lennard-Jones长程作用势描述碳-金原子间的相互作用, 嵌入原子势函数描述金-金原子间相互作用. 研究结果表明: 相同尺寸下, 金纳米线的电子热导率相较于空碳管以及电缆式复合材料的声子热导率小很多, 对复合材料总热导率的贡献可以忽略; 由于管内金纳米线的存在, 其与碳管的相互作用使得碳管碳原子倾向于沿着轴向振动, 声子间U散射随之减少, 声子平均自由程增加, 导致复合材料热导率明显大于空碳管, 在100–500 K温度范围内高出约20%–45%, 但增大幅度随温升呈降低趋势; 复合材料热导率随着管长增加而增大, 变化趋势和空碳管相似, 但其增长幅度更大; 复合材料和空碳管的热导率随管径增大而减小, 且变化幅度基本一致. 关键词： 碳纳米管 纳米线 电缆式复合材料 导热     

β型锑烯热电输运性质的第一性原理研究

利用第一性原理与半经典玻尔兹曼方程，计算并分析β型锑烯的声子色散、声子群速度、声子弛豫时间、晶格热导率及不同温度下的塞贝克系数、电导率和电子热导率随化学势的变化；结果表明：β型锑烯由于非平面六角结构，三支声学声子在Γ点附近均呈线性变化；声学声子对整个晶格热导率的贡献高达96.68%，而光学声子仅仅占到3.32%；由于较大的声光带隙（a-o gap）导致LA支在声子群速度和弛豫时间中占据主导地位，从而增大了LA支声子对整个热导的贡献；热电优值随温度的升高而增大，在费米面附近其绝对值最大可达0.275.     

表面低配位原子对声子的散射机制

由于纳米结构具有极高的表体比,声子-表面散射机制对声子的热输运性质起到关键作用.提出了表面低配位原子对声子的散射机制,并且结合量子微扰理论与键序理论推导出该机制的散射率.由于散射率正比于材料的表体比,这种散射机制对声子输运的重要性随着纳米结构尺寸的减小而增大.散射率正比于声子频率的4次方,所以这种散射机制对高频声子的作用远远强于对低频声子的作用.基于声子玻尔兹曼输运方程,计算了硅纳米薄膜和硅纳米线的热导率,发现本文模型比传统的声子-边界散射模型更接近实验值.此发现不仅有助于理解声子-表面散射的物理机制,也有助于应用声子表面工程调控纳米结构的热输运性质.     

基于界面原子混合的材料导热性能

构造了界面具有原子混合的硅锗(Si/Ge)单界面和超晶格结构.采用非平衡分子动力学模拟研究了界面原子混合对于单界面和超晶格结构热导率的影响,重点研究了界面原子混合层数、环境温度、体系总长以及周期长度对不同晶格结构热导率的影响.结果表明:由于声子的“桥接”机制,2层和4层界面原子混合能提高单一界面和少周期数的超晶格的热导率,但是在多周期体系中,具有原子混合时的热导率要低于完美界面时的热导率;界面原子混合会破坏超晶格中声子的相干性输运,一定程度引起热导率降低;完美界面超晶格具有明显的温度效应,而具有原子混合的超晶格热导率对温度的敏感性较低.     

粉末和颗粒状二氧化硅气凝胶绝热材料的热导率测量

采用瞬态热带法在不同温度和不同压力下对粉末状及颗粒状SiO_2气凝胶的热导率进行了测量。采用低温氮气吸附法测量了样品的比表面积和介孔孔径分布。结果表明,两种被测样品的热导率随压力的变化规律相似,当压力约为1000 Pa时,热导率变化曲线会出现转折,当p1000 Pa时,热导率随压力的降低而减少缓慢,当p1000 Pa时,热导率下降很快。样品的热导率随环境温度的增加而显著增加,温度一定时,随平均孔尺寸的增大而增大。误差分析表明采用瞬态热带法测量时室温下的误差在3%以内。     

表面粗糙度对薄膜面向热导率的影响研究

通过求解声子辐射输运方程(EPRT)计算得到了薄膜的面向晶格热导率.在薄膜界面采用与声子波长相关的镜反射率模型,考虑了薄膜的厚度、温度和表面粗糙度等对其热导率的影响.结果表明,界面粗糙度对薄膜热导率的影响很大.减小界面粗糙度,会使得薄膜热导率大大增加.另外,薄膜厚度减小使得热导率峰值对应的温度增加.     

介孔二氧化硅基导电聚合物复合材料热导率的实验研究

本文首先制备并表征了介孔二氧化硅SBA-15、 填充导电聚合物的复合材料PANI/SBA-15和复合材料PPy/SBA-15, 并建立双流计实验台开展了材料压片情况下的热导率研究. 在测量得到复合材料热导率的基础上, 引入当量孔径, 结合测量孔径对 PANI/SBA-15和PPy/SBA-15复合材料热导率随填充量的变化进行了定性分析. 分析表明: PANI/SBA-15和PPy/SBA-15复合材料的热导率比基材SBA-15的热导率大得多; 在相同的测量孔径和当量孔径情况下, PANI/SBA-15复合材料的热导率比PPy/SBA-15复合材料的热导率大; 导电聚合物填充到复合材料孔道内和孔道外都有助于热导率的提高, 填充到孔道内比填充到孔道外对热导率提高的贡献更大.     

固体氩的晶格热导率的非简谐晶格动力学计算

用一种非简谐晶格动力学方法, 使用相互作用势作为惟一的输入参数, 准确地计算了固体氩的各个声子的频率和弛豫时间. 并将这些结果进一步和玻尔兹曼输运方程相结合, 预测了固体氩从10 K 到80 K 区间的热导率, 并得到了与实验值非常符合的结果. 分析了运用非简谐晶格动力学方法进行数值计算过程中的各个相关的计算参数, 包括布里渊区中倒格子矢量的选取, δ 函数的展宽的选择等对热导率和声子弛豫时间预测结果的影响. 通过对各个声子模式对热导率贡献的分析, 发现随着温度升高, 高频声子对于热导率的贡献率也逐渐变大, 结果和理论预测完全一致. 关键词： 热导率 固体氩 非简谐晶格动力学 声子     

泡沫铝的低频内耗特征研究

采用粉末冶金发泡法制备的泡沫铝试样，研究了室温下低频范围（0.04—4Hz）泡沫铝的内耗与孔结构（孔隙率和孔径）、频率、振幅之间的关系．结果表明泡沫铝的内耗具有以下特征：孔径一定时，内耗随孔隙率的增加而增大；孔隙率一定时，内耗随孔径的减小而增大；在测量频率范围内，内耗与频率近似无关；小应变振幅时内耗随振幅的增大而增大，具有正常振幅效应．提出了泡沫铝的内耗产生机制，根据等效夹杂方法和钉扎位错内耗特点进行了理论分析，较理想地解释了实验结果 关键词：     

二维Mo2C的晶格热导率的第一性原理研究

Mo2C是构建Mxene基器件的重要材料之一,对Mo2C二维材料声子输运的理解非常必要。文章结合第一性原理方法和声子玻尔兹曼输运方程,研究了二维Mo2C材料的晶格热导率。研究表明,室温下二维Mo2C导热系数非常低,其锯齿方向和扶手椅方向的晶格热导率分别为7.20 和 5.04 W/mK。计算了声学振动和光学振动模式对晶格热导率的贡献,揭示总热导率主要由面内声学横波的振动模式所贡献。还进一步计算了声子群速度、声子弛豫时间、三声子散射空间和模式格林艾森参数,发现二维Mo2C中的声子群速度和声子弛豫时间对晶格传输有重要的影响。     

Mo2C二维材料晶格热导率的第一性原理研究

Mo₂C是构建Mxene基器件的重要材料之一,对Mo₂C二维材料声子输运的理解非常必要.文章结合第一性原理方法和声子玻尔兹曼输运方程,研究了二维Mo₂C材料的晶格热导率.研究表明,室温下二维Mo₂C导热系数非常低,其锯齿方向和扶手椅方向的晶格热导率分别为7.20和5.04 W/mK.计算了声学振动和光学振动模式对晶格热导率的贡献,揭示总热导率主要由面内声学横波的振动模式所贡献.还进一步计算了声子群速度、声子弛豫时间、三声子散射空间和模式格林艾森参数,发现二维Mo₂C中的声子群速度和声子弛豫时间对晶格传输有重要的影响.     

基于LBM的多孔陶瓷有效热导率和相变传热分析

多孔氮化铝陶瓷具有高导热、耐熔盐腐蚀等优点在相变材料封装方面具有较大应用前景。本文采用微米计算机断层扫描(CT)得多孔氮化铝的灰度图像,并精准重构三维孔隙结构。并采用四参数随机生长、堆积颗粒、维诺结构等数值方法建立结构模型。基于介观尺度的格子玻尔兹曼方法 (LBM),计算了多孔陶瓷的有效热导率,结果表明维诺结构与CT真实重构的热导率接近。采用三维焓法LBM模拟了多孔骨架内的相变传热过程,获得了孔隙尺度对流相变的传热机理,并分析了不同孔隙率时的储热密度和复合材料的有效热导率。基于CT扫描和LBM的相变传热模拟有助于快速分析骨架的热特性,为多孔骨架的设计提供理论基础。     

双层薄膜界面声子输运的Monte Carlo模拟

界面声子热输运现象广泛地存在于纳米热电装置和微纳电子器件中,但其物理机制和介观模型仍不完善。本文将考虑真实色散关系的漫射失配(DMM)界面模型引入到高效、低噪的动力型声子Monte Carlo(MC)方法,建立了一个频谱穿透系数的界面声子输运数值模型。采用新的数值模型研究了室温下Si/Al薄膜中的界面声子输运,可准确捕捉法向输运和面向输运的非平衡效应。