论文部分内容阅读
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，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。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。
本文以Stone-Wales(SW)缺陷、硅/氢掺杂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，模拟计算存在缺陷的碳纳米管的轴向温度分布和热导率，并引入局部热阻和相对局部热阻，与无缺陷碳纳米管进行比较，开展缺陷效应分析及影响因素分析。模拟中，使用Tersoff-Brenner势能函数描述碳-碳原子间作用力，热浴采用Berendsen温控机制，轴向为周期性边界条件，模拟中涵盖表面效应等因素的影响；运动方程采用预测-校正积分方法求解，基于傅里叶定律进行热导率的求解。
模拟结果表明，在碳管缺陷处，会产生非线性的间断性温度跳跃、局部热阻增大，即缺陷效应；相对完整无缺陷碳管，含有缺陷的碳管热导率有所下降；分析认为，碳纳米管晶格结构中的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。随着缺陷数目的增加，碳纳米管热导率下降的幅度增大；无论是否存在缺陷，锯齿型碳纳米管的热导率总是小于扶手椅型的碳纳米管；相对长碳管，短碳管热输运特性对缺陷更为敏感；碳管热输运特性对硅掺杂比对SW缺陷、氢掺杂更为敏感；而扶手椅型碳管比锯齿型碳管对SW缺陷更为敏感；扶手椅型碳管和锯齿型碳管对于硅掺杂的敏感程度没有明显的差异。当环境温度大于碳管的德拜温度(约500 K)，碳管的热导率随着温度的上升而下降。