固-液薄膜和硼纳米管热传导的分子动力学模拟

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由于一些微小器件的尺寸与声子平均自由程、声子波长等已经达到相近的地步,所以体态热传导理论在微尺度下已经不再能够准确的描述热物理转化过程,全面了解系统在特定尺度内的微机电性质及材料的热物性、热行为等已经成为迫在眉睫的任务。本文采用分子动力学模拟与理论分析相结合起来,讨论以下两个问题。 采用非平衡态分子动力学方法模拟固-液-固薄膜热传导情况。研究液体薄膜长度以及液体势阱常数变化对整体导热系数的影响。模拟结果显示,随着薄膜长度的增加,导热系数是呈阶梯状下降。当模拟区域长度增加,界面效应影响越来越差,声子模式的失配越来越严重,导致声子在界面上的传输系数逐渐减小,平均界面热阻增加,导热系数也越来越小,而下降幅度不同可能源于液体粒子无序性的程度不同;而当液体薄膜势阱常数增加时,界面耦合系数增加,界面热阻降低,声子更容易穿越界面,导热系数升高。 以(6,6)扶手椅型硼纳米管为研究对象,采用分子动力学直接法,模拟500K时硼纳米管在不同长度下的导热系数值,并通过外推法求解出无限长体系下硼纳米管的导热系数,以及不同温度下,硼纳米管的导热系数变化情况。模拟结果表明,(6,6)硼纳米管具有较高的导热系数;导热系数随着硼纳米管长度的增加而逐渐增大;在无限长的体系下,导热系数可达到4960.7 w/mk。经过分析,产生较高导热系数可能是由于硼管内无边界散射和存在强硬的σ键。当长度不变时,模拟不同温度时,硼纳米管导热系数先升高后降低。温度较低时,平均自由程接近常数,导热系数与比热有关,随温度逐渐增高,比热是常数,而平均自由程变小,导热系数降低。
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