纳米尺度调控二硫化钼纳米管与聚氧化乙烯导热的模拟研究

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随着电子器件和固态锂离子电池的迅速发展,热管理已经成为了影响它们性能和安全的重要因素。纳米材料的广泛应用使得它成为了热管理问题的焦点,因此调控纳米材料的热输运性质至关重要。本文利用分子动力学模拟方法,对二硫化钼纳米管和聚氧化乙烯热导率的纳米尺度调控进行了研究。
  对于二硫化钼纳米管,我们首先研究了其热导率对温度、长度和直径的依赖性。结果显示,热导率在200至400K的范围内以正比于T-1的关系随温度升高而降低,且在10至320nm的范围内按正比于Lβ的关系随长度增大而升高,然而它对直径却没有明显的依赖性。为了实现对热导率的调控,我们提出了施加轴向应变的方法。结果表明,zigzag纳米管的热导率可以随轴向拉应变的增大显著降低,而armchair纳米管的则不行,这意味着热导率应变效应具有强烈的手性依赖。通过计算声子态密度和色散关系,我们发现应变调控热导率的机制是声子模式向低频区域漂移而导致的声子群速度的减小。
  对于聚氧化乙烯,我们首先研究了无定形结构的热导率及其温度依赖性。结果显示,其热导率在室温时为0.37±0.01Wm-1K-1且在300至600K的范围内对温度没有依赖。为了提高热导率,我们基于提高晶格有序性的策略构建了晶状的结构。结果表明,其热导率在室温时被提高了两个数量级从而达到了60±3Wm-1K-1,且在300至600K的范围内呈现出阶梯式的温度依赖关系。通过计算声子态密度和径向分布函数,我们证明了阶梯式的热导率温度依赖是由温度导致的形态变化造成的。
  本文的研究结果为热导率的纳米尺度调控提供了行之有效的新策略,为热导率调控背后的物理机制提供了有用的见解,可以被用于诸如电子器件和固态锂电池等各种领域的热管理中。
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