单壁碳纳米管分子结导热特性研究-制冷及低温工程专业论文.docx

摘要 摘 要 I I 摘 要 碳纳米管(CNTS)及其分子结是碳纳米管电子元件及宏观体材料的基本构建模 块。单个的碳纳米管具有超强的导热性能，因此近年来关于碳纳米管及其宏观体材 料导热性能的研究得到了广泛的关注。目前碳纳米管宏观体材料的导热性能的研究 表明其并未具有单个碳纳米管具有的超强导热性能，而碳纳米管间通过 C-C 共价键 形成的分子结连接的网络结构的导热性能的微观机理尚待进一步地深入研究。碳纳 米管分子结的导热性能研究是碳纳米管网络结构导热性能研究不可缺少的基础工 作，同时对于从微观机理上分析碳纳米管宏观体材料的导热性能也具有重要意义。 本文针对单壁碳纳米管 X 型分子结的导热性能进行了研究，主要包括以下内容: (1) 对端固定－缓冲区方式的单壁碳纳米管的热导率非平衡分子动力学(NEMD) 模拟方法进行了研究，通过声子态密度与热导率计算，将其与非端固定模型的单壁 碳纳米管热导率 NEMD 模拟方法进行了比较。结果表明，采用端固定－缓冲区方 式的单壁碳纳米管热导率计算模型的结果与采用周期性边界的非端固定模型的单 壁碳纳米管热导率计算模型更为接近。同时针对单壁碳纳米管的热导率计算的量子 修正方法进行了探讨。 (2) 采用 NEMD 模拟方法计算了非正交扩展 X 型分子结(EX 型分子结)的单壁 碳纳米管的热导率。研究发现不同于标准的 X 型分子结，含有 EX 型分子结的单壁 碳纳米管的轴向温度分布会出现两次跳跃，并导致其热导率比含有标准的 X 型分子 结的单壁碳纳米管的热导率下降得更多。量子修正结果表明单壁碳纳米管 X 型分子 结和 EX 型分子结的轴向热阻随温度的升高而降低；在 400K 温度以上时，带有 X 型分子结和 EX 型分子结的单壁碳纳米管的热导率对温度依赖性不敏感。 (3) 建立了单壁碳纳米管 X 型分子结和 EX 型分子结的管间热导的计算模型， 分析了交叉的单壁碳纳米管通过烧结由 X 型分子结变化到 EX 型分子结的过程中， 分子结的管间热导及轴向热阻随管间连接键个数的变化。结果表明分子结的管间热 导随管间连接键个数增加而增大；由于端固定方式会在 EX 型分子结的生成过程引 入变形和缺陷，从而导致分子结的轴向热阻在由 X 型分子结变化到 EX 型分子结的 过程中，随管间连接键个数增加而增大。 关键词：热传导；单壁碳纳米管；X 型分子结；分子动力学模拟；非平衡分子动力 学 华北电力大学硕士学位论文 华北电力大学硕士学位论文 II II Abstract Carbon nanotubes (CNTs) and their junctions are promising building blocks for CNT nanoelectronic devices and CNT bulk materials. Recently, the thermal properties of CNTs and their bulk materials have attracted much attention due to the super high thermal conductivity shown in the individual CNT. However, the extraordinarily high thermal conductivity of individual CNTs has not been demonstrated in bulk materials based on randomly oriented CNTs. Heat conduction in sintered random CNT networks is still not well understood, and its mechanism needs to be further investigated. Therefore the investigation of thermal properties of the CNT junction has important implications in the design and study of CNT random networks for thermal management. In this study, the heat conduction of X-junctions and the extended X-junctions (EX-junction) of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are investigated, and main results and the work are summarized b