碳纳米管热传导的分子动力学模拟研究

采用改进的经验键序作用势描述碳原子间的相互作用,应用分子动力学方法和Green-Kubo函数计算了碳纳米管的热导率.在模拟中,使用了重叠计算的方法来计算热流相关函数,大大减少了模拟步数.计算结果表明,碳纳米管的热导率以原子间作用力相互做功所引起的热流形式为主;热导率的值随着直径的增加而减小;在室温下,热导率的值随着温度的增加而增加,达到室温后逐渐收敛于定值.计算的单壁碳纳米管热导率在1000W/mK至4000W/mK之间,计算结果与实验结果基本符合. 关键词： 分子动力学 碳纳米管 热导率     

温度对吡啶离子液体性质影响的分子动力学模拟研究

运用分子动力学模拟方法研究了温度对三种吡啶离子液体[BPy][BF4]、[HPy][BF4]、[OPy][BF4]热力学性质的影响, 得到了每个体系的密度、自扩散系数、电导率和黏度等. 研究结果表明: 随着温度升高, 同一种离子液体的密度减小, 阴阳离子的自扩散系数明显增大, 电导率升高, 而黏度降低. 在同一温度下, 随着阳离子上烷基链的增长, 离子液体的密度减小, 但热力学性质的变化规律并不完全同步. 烷基链长最短的[BPy][BF4]的自扩散系数和电导率在每个温度下均为最大, 而黏度最小; 但烷基碳链更长的[OPy][BF4]和[HPy][BF4]的各种性质相差不大,甚至当温度大于323K时, 烷基链较长的[OPy][BF4]的自扩散系数比[HPy][BF4]的大.     

温度对吡啶离子液体性质影响的分子动力学模拟研究

运用分子动力学模拟方法研究了温度对三种吡啶离子液体[BPy][BF_4]、[HPy][BF_4]、[OPy][BF_4]热力学性质的影响,得到了每个体系的密度、自扩散系数、电导率和黏度等.研究结果表明:随着温度升高,同一种离子液体的密度减小,阴阳离子的自扩散系数明显增大,电导率升高,而黏度降低.在同一温度下,随着阳离子上烷基链的增长,离子液体的密度减小,但热力学性质的变化规律并不完全同步.烷基链长最短的[BPy][BF_4]的自扩散系数和电导率在每个温度下均为最大,而黏度最小;但烷基碳链更长的[OPy][BF_4]和[HPy][BF_4]的各种性质相差不大,甚至当温度大于323 K时,烷基链较长的[OPy][BF_4]的自扩散系数比[HPy][BF_4]的大.     

交联对硅橡胶热导率影响的分子动力学模拟

硅橡胶具有绝缘、耐热等优势,在热界面材料中具有重要的应用.通过非平衡分子动力学方法计算了不同交联密度下的热导率.结果表明随着交联密度的变大,热导率逐渐升高. 80%的交联密度可以使热导率提高40%,这是由于交联形成的空间网状结构缩短了热量沿着原子链传递的长度,使热导率有较大的提升.在相同交联密度下,键位置对热导率影响较小,端部交联和中间交联时热导率没有显著差异.但是交联活性点的间隔增加有利于热导率提高.计算了不同交联密度下的声子态密度,分析交联结构的导热机理.     

基底对硅纳米线热导率影响的分子动力学模拟

采用非平衡态分子动力学模拟的方法研究了硅纳米线平放在基底上的轴向热导率,结果表明基底的存在降低了纳米线的热导率,且随着温度的升高,热导率逐渐降低.通过改变纳米线与基底之间的范德华作用力强度,研究了基底约束对硅纳米线热导率的影响,结果表明,随着作用力强度的增加,纳米线热导率逐渐减小.模拟结果还显示,基底维数的降低能够进一...     

不凝性气体对纳米通道内水分子流动传热影响的分子动力学模拟

随着电子元件高性能化和小型化的发展,纳米通道内工质的流动传热问题受到了更多的关注.本文采用分子动力学模拟方法,模拟了300,325,350 K的纳米通道中流体的流动传热情况,工质为水,水中不凝性气体用氩气代替.结果表明:流动过程中,氩原子形成高势能团簇,随着温度升高,流体势能上升,团簇逐渐减小或消失;少量气体原子能够促进流动,而较多氩气会导致通道中心区域形成较大气体团簇而阻碍流动,同时,被加热的工质能显著减小流动阻力系数;近壁面区域流体温度高于中心区域,团簇内部原子活动更加剧烈,平均分子动能更大,温度更高;水的氢键结构可以促进纳米通道内的传热,氩原子会影响氢键数量,高温会破坏水分子形成的氢键网络,使努塞尔数下降.本研究分析了不凝性气体影响下微通道内水分子流动传热的机理,为电子设备的强化传热提供了理论指导.     

分子动力学模拟铜薄膜的热导率

采用分子动力学(MD)方法模拟铜薄膜的热导率,给出了厚度在100~400nm、温度在100~600K范围内铜薄膜热导率对尺寸及温度的依赖关系.     

应力对石墨烯热输运性质影响的分子动力学模拟

本文建立了低维薄膜材料导热模型,运用非平衡分子动力学模拟的方法,利用lanmmps软件对单层石墨烯纳米带的导热特性进行仿真分析,根据Fourier定律计算热导率,再对石墨烯纳米带的原子施加一定耦合应力场,把应力耦合作用下的石墨烯热导率与正常的石墨烯纳米带进行了对比研究,模拟数据结果表明:在石墨烯纳米带上施加耦合应力时,会导致石墨烯纳米带热导率升高,且随应力增加而增大,模拟范围内热导率升高2.61倍,并且应力方向会对热导率变化产生一定影响,这个研究为纳米尺度上石墨烯相关研究和进一步提升热导率提供了新思路.     

过冷液体钾形核初期微观动力学机理的模拟研究

采用分子动力学方法对液态金属钾凝固过程进行了模拟,根据凝固过程体系平均原子能量、原子成键类型和成团类型,以及均方位移和非Gauss参数等动力学参数的演化特征,对过冷熔体形核初期微观动力学机理进行了研究.结果表明:根据过冷液体钾结晶形核过程热力学、动力学和结构特性的演化规律, 其过冷温度区间可以分为两个明显不同的阶段,潜在结晶核心出现在过冷液体较低温区.过冷熔体钾在形核初期,二十面体团簇结构在α-弛豫阶段逐渐解体,同时具有体心立方(bcc)结构的潜在结晶核心逐步形成,其临界晶核包含约300个原子.     

势能模型对石墨烯导热性质分子动力学模拟的影响

针对常用的Tersoff势、Rebo势和Airebo势,系统性地分析势能模型对分子动力学模拟计算石墨烯色散关系、声子态密度、群速度和热导率的影响. 结果表明：Rebo势和Airebo势描述的声子色散关系接近实验值,Airebo势对应的声子态密度与第一性原理计算的结果较为符合,Rebo势和Airebo势计算的Γ点处声子群速度高于Tersoff势. 采用Airebo势得到石墨烯热导率约为1 150 W·（m·K）^-1,与实验值相近. 综合各种影响,相比于Tersoff势和Rebo势,Airebo势能模型更适合计算石墨烯的导热性质.     

A molecular dynamics simulation of nanoscale convective heat transfer with the effect of axial heat conduction

Effective heat dissipation from nano-fluidic devices is sometimes necessary to ensure their performance and lifespan. In the molecular dynamics simulation of nanoscale convective heat transfer, thermostats cannot be directly applied to the fluid because of the non-uniform temperature distribution. Periodic boundary is typically utilised, but unrealistic axial heat conduction exists when there is a temperature difference between the outlet and images of inlet atoms. In this paper, the effect of axial conduction caused by periodic boundary is investigated through the Péclet number (Pe). Taking viscous dissipation into consideration, the magnitude of outlet thermal diffusion is observed to decrease with increasing Pe. The local average temperature of fluid changes in an exponential form except in the region close to the outlet. Results show that the contribution of outlet axial conduction to the local average temperature is less than 2.0% when Pe > 10. The main reason is that the magnitude of fluid velocity and viscous heat dissipation in nanochannels is much larger than that in macro-channels at the same Péclet number.     

分子动力学模拟研究方解石表面润湿性反转机理

利用分子动力学模拟技术从分子尺度探究方解石表面润湿性反转机理.首先,研究方解石表面润湿性反转过程;而后,从原油分子-方解石表面与原油分子-原油分子/水分子相互作用两个方面系统揭示方解石表面润湿性反转机理.结果:(1)水分子能够驱离方解石表面弱吸附的非极性分子造成润湿性的改变,但不能驱离强吸附的极性分子使润湿性反转难以实现;(2)原油分子极性越强与方解石表面相互作用越强,极性分子与方解石表面之间主要为静电力,非极性分子与方解石表面之间主要为范德华力;(3)原油分子极性越相近分子之间的相互作用越强,分子极性相差越大分子之间的相互作用越弱.非极性分子之间主要是范德华力,极性分子之间主要是静电力;(4)原油分子在方解石表面和水分子的共同作用下形成乙酸-吡啶-水-甲苯-己烷的稳定吸附序列.本研究为靶向提高采收率技术的设计与应用提供理论基础.     

Molecular dynamics study for the thermal conductivity of diatomic liquid

The thermal conductivity of diatomic liquids was analyzed using a nonequilibrium molecular dynamics (NEMD) method. Five liquids, namely, O₂, CO, CS₂, Cl₂ and Br₂, were assumed. The two-center Lennard-Jones (2CLJ) model was used to express the intermolecular potential acting on liquid molecules. First, the equation of state of each liquid was obtained using MD simulation, and the critical temperature, density and pressure of each liquid were determined. Heat conduction of each liquid at various liquid states [metastable (ρ=1.9ρ_cr), saturated (ρ=2.1ρ_cr), and stable (ρ=2.3ρ_cr)] at T=0.7T_cr was simulated and the thermal conductivity was estimated. These values were compared with experimental results and it was confirmed that the simulated results were consistent with the experimental data within 10%. Obtained thermal conductivities at saturated state were reduced by the critical temperature, density and mass of molecules and these values were compared with each other. It was found that the reduced thermal conductivity increased with the increase in the molecular elongation. Detailed analysis of the molecular contribution to the thermal conductivity revealed that the contribution of the heat flux caused by energy transport and by translational energy transfer to the thermal conductivity is independent of the molecular elongation while the contribution of the heat flux caused by rotational energy transfer to the thermal conductivity increases with the increase in the molecular elongation. Moreover, by comparing the reduced thermal conductivity at various states, it was found that the increase of thermal conductivity with the increase in the density, or pressure, was caused by the increase of the contribution of energy transfer due to molecular interaction.     

分形结构纳米复合材料热导率的分子动力学模拟研究

提出了一基于Sierpinski分形结构的Si/Ge纳米复合材料结构,以调控纳米复合材料的热导率.采用非平衡分子动力学方法模拟研究了分形结构Si/Ge纳米复合材料的导热性能,给出了硅原子百分比、轴向长度以及截面尺寸对分形结构纳米复合材料热导率的影响规律,并与传统矩形结构进行了对比.研究结果表明,分形结构纳米复合材料增强了Si/Ge界面散射作用,使得热导率低于传统矩形结构,这为提高材料的热电效率提供了有效途径.Si原子百分比、截面尺寸、轴向长度皆对分形结构纳米复合材料热导率存在着重要影响.纳米复合材料热导率随着Si原子百分比的增加呈先减小后增加的趋势,随轴向长度的增加则呈单调增大趋势.     

基于分子动力学的石墨炔纳米带空位缺陷的导热特性

空位缺陷石墨炔比完整石墨炔更贴近实际材料,而空位缺陷的多样性可导致更丰富的导热特性,因此模拟各种空位缺陷对热导率的影响显得尤为重要.采用非平衡分子动力学方法,通过在纳米带长度方向上施加周期性边界条件,基于AIREBO(adaptive intermolecular reactive empirical bond order)势函数描述碳-碳原子间的相互作用,模拟了300 K时单层石墨炔纳米带乙炔链上单空位缺陷和双空位缺陷以及苯环上单空位缺陷对其热导率的影响,利用Fourier定律计算热导率.模拟结果表明,对于几十纳米尺度范围内的石墨炔纳米带热导率,1)由于声子的散射集中和声子倒逆过程增强,与完美无缺陷的石墨炔纳米带相比,空位缺陷会导致石墨炔纳米带热导率的下降;2)由于声子态密度匹配程度高低的不同,相比于乙炔链上的空位缺陷,苯环的空位缺陷对石墨炔纳米带热导率影响更大,乙炔链上空位缺陷数量对石墨炔纳米带热导率的影响明显;3)由于尺寸效应问题,随着长度增加,石墨炔纳米带热导率会相应增大.本文的研究可为在一定尺度下进行石墨炔纳米带热导率的调控问题提供参考.     

Molecular dynamics simulation of self-diffusion coefficients for liquid metals

The temperature-dependent coefficients of self-diffusion for liquid metals are simulated by molecular dynamics meth ods based on the embedded-atom-method （EAM） potential function. The simulated results show that a good inverse linear relation exists between the natural logarithm of self-diffusion coefficients and temperature, though the results in the litera ture vary somewhat, due to the employment of different potential functions. The estimated activation energy of liquid metals obtained by fitting the Arrhenius formula is close to the experimental data. The temperature-dependent shear-viscosities obtained from the Stokes-Einstein relation in conjunction with the results of molecular dynamics simulation are generally consistent with other values in the literature.     

硅功能化石墨烯热导率的分子动力学模拟

采用Tersoff势函数与Lennard-Jones势函数,结合速度形式的Verlet算法和Fourier定律,对单层和两层硅功能化石墨烯沿长度方向的导热性能进行了正向非平衡态分子动力学模拟.通过模拟发现,硅原子的加入改变了石墨烯声子的模式、平均自由程和移动速度,使得单层硅功能化石墨烯模型的热导率随着硅原子数目的增加而急剧地减小.在300 K至1000 K温度变化范围内,单层硅功能化石墨烯的热导率呈下降趋势,具有明显的温度效应.对双层硅功能化石墨烯而言,少量的硅原子嵌入,起到了提高热导率的作用,但当硅原子数目达到一定数量后,材料的导热性能下降.     

Study of lattice thermal conductivity of alpha-zirconium by molecular dynamics simulation

The non-equilibrium molecular dynamics method is adapted to calculate the phonon thermal conductivity of alphazirconium. By exchanging velocities of atoms in different regions, the stable heat flux and the temperature gradient are established to calculate the thermal conductivity. The phonon thermal conductivities under different conditions, such as different heat exchange frequencies, different temperatures, different crystallographic orientations, and crossing grain boundary (GB), are studied in detail with considering the finite size effect. It turns out that the phonon thermal conductivity decreases with the increase of temperature, and displays anisotropies along different crystallographic orientations. The phonon thermal conductivity in [0001] direction (close-packed plane) is largest, while the values in other two directions of [2īī0] and [01ī0] are relatively close. In the region near GB, there is a sharp temperature drop, and the phonon thermal conductivity is about one-tenth of that of the single crystal at 550 K, suggesting that the GB may act as a thermal barrier in the crystal.     

相变材料热物理性质的分子动力学模拟

为从微观尺度探寻相变材料的热物性变化机理, 本文采用分子动力学的方法, 构建了由正二十二烷组成的无定形结构的相变材料体系, 采用周期性边界条件以及COMPASS力场对相变材料的比热以及导热系数进行了模拟, 并对纯正二十二烷进行了DSC测试. 结果表明, 模拟所得的相变材料热容与文献实验值的偏差是6.5%, 熔点与DSC实验值的偏差是0.98%. 当温度为288–318 K时, 相变材料的导热系数在0.1–0.4 W·m^-1·K^-1 范围内波动, 且随着压力增大略呈下降趋势. 关键词： 扩散系数 比热 导热系数 分子动力学