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含有StoneWales缺陷碳纳米管热导率模拟.pdfVIP

含有StoneWales缺陷碳纳米管热导率模拟.pdf

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中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号:093142 含有Stone-Wales 缺陷碳纳米管 热导率模拟 * 彭佳,冯妍卉 ,李威,张欣欣 北京科技大学热能工程系,北京,100083 * 010 yhfeng@ 摘要:本文以 Stone-Wales (SW)缺陷对碳纳米管热导率的影响为研究内容,采用非平衡态分子动力 方法,模拟计算存在一个或多个SW 缺陷的(3,3 )扶手椅型碳纳米管的轴向温度分布和热导率,并 与无缺陷完整碳纳米管进行比较,开展缺陷效应分析。模拟结果表明,由于缺陷存在,碳管轴向温度 分布在缺陷处产生非线性的间断性跳跃,局部热阻增大。相对完整无缺陷碳管,含有SW 缺陷的碳管 热导率显著下降;随着缺陷数目的增加,碳管热导率下降的幅度增大。究其原因,碳纳米管中的 SW 缺陷极有可能成为新增加的声子散射中心,这使得碳纳米管热传导过程中起主导作用的声子散射增加, 影响到其温度分布以及能量传输,从而导致其热导率下降。 关键词:碳纳米管,热导率,Stone-Wales 缺陷,分子动力学,缺陷效应 0 前言 1991 年lijima[1]等人首次观测到的碳纳米管,因其独特的一维导热性能被誉为目前 世界上最好的导热材料,其作为复合材料或者纳米流体的填充物时亦可增强材料导热性 能[2,3] ,于是碳纳米管导热机理和规律成为微∕纳米尺度传热领域诸多学者的研究要点。 然而实际纳米碳管并非理想完整的结构,其中存在很多类型的结构缺陷。实验证明, 碳纳米管在制备以及利用扫描隧道显微镜和原子力显微镜对其进行扫描分析的过程中, 都不可避免地会产生实质性影响,甚至是损伤,造成结构缺陷[4,5] 。碳纳米管束、薄膜制 备和纳米器件的搭建过程中,不同方向手性的纳米管在相互交连的部位也必然会出现各 种形式的拓扑缺陷[6] ,而Stone-Wales (SW)缺陷是碳管典型拓扑缺陷之一。虽然是局域 微小的拓扑变换,但在纳米尺度会引起碳管局部宽度(直径)和手性的变化,改变电子结 构特性,并影响电子-声子耦合,导致它的电、热等性能发生较大变化。缺陷的存在影 响了碳管的物理和化学性质,同时又因能得到某些特殊的性能而具有更多的应用潜力。 到目前为止,针对理想、完整的单根直型碳纳米管开展了一系列广泛深入的工作 [ 10-19] ,基本现象认识、基础理论探索和技术应用研究已比较成熟;而针对有缺陷的碳纳 米管导热性能的研究,仅见Cummings等[7]、Meng[8]等、和Fan[9] 等分别用分子动力学的 方法模拟计算相应的热导率。纳米碳管热导率大小强烈依赖于声子的平均自由程,而平 均自由程除了受到体现原子非简谐振动的声子之间碰撞的影响外,还受限于碳管边界散 射、点缺陷的静态散射和反转散射[14] ,因此纳米碳管导热性能对原子缺陷有着超乎寻常 的敏感。有研究表明,纳米碳管热导率是缺陷和空穴浓度的函数[20] ;纳米碳管中有异质 国家自然科学基金项目)和教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-08-0721 ) [7,8] 结缺陷存在时,温度在结处出现阶跃、不连续的特性 ,纳米碳管整体热导率下降。吸 附、掺杂等缺陷对纳米碳管的热传导特性也具有一定的影响。 对于碳纳米管导热系数的研究方法主要有理论分析,实验测试和计算机模拟。理论 分析通常基于声子的Boltzmann输运方程[10,11] 。实验测量碳纳米管束、阵列或薄膜热导 率的方法有3 ω法、微装配悬挂装置法和脉冲光热反射技术等,对单壁或多壁的样品Yi [12] Li Shi[13] 、Philip Kim[14] 、Arun Majumdar[15]在室温下测量碳纳米管的热导率从几十W/m·K 到6600W/m·K不等。由于实验的难度和不

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