PDF《碳纳米管的热导率：从弹道到扩散输运 ！》

碳纳米管的热导率: 从弹道到扩散输运! 侯泉文 曹炳阳! 过增元 (清华大学航天航空学院,热科学与动力工程教育部重点实验室,北京 "###$%) (&##$ 年"# 月&' 日收到;

&##$ 年"" 月&' 日收到修改稿) 采用非平衡分子动力学方法研究了 (## ) 和"### ) 时(*, *) 碳纳米管热导率随长度的变化+ 在室温下, 碳纳米 管长度小于 %# ,- 时热导率与长度呈线性关系, 此时导热处于弹道输运阶段, 单位面积弹道热导为

0 1-2 & )2 " +随着碳纳米管长度的增加, 其热导率逐渐增加, 但增加速度随长度逐渐减小, 此时导热处于弹道―扩散输运阶 段, 并随长度的增加从以弹道输运为主向以扩散输运为主转变+长度大于 "#! - 时由于弹道输运可以忽略, 导热近 似达到完全扩散输运+模拟发现碳纳米管热导率随长度变化的幂指数随着碳纳米管长度的增加而成衰减指数的规 律减小, 与理想一维材料不同, 在热力学极限下碳纳米管导热会出现完全扩散输运, 其热导率将收敛到有限值+ 关键词:碳纳米管,热导率,弹道输运,低维导热 !"##:33'#,3"$*,3"%$ !国家自然科学基金(批准号:*#3#3#"$)与清华信息科学与技术国家实验室学科交叉基金资助的课题+ ! 45-678:96:;

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引言碳纳米管是目前可人工制备的一种低维材料, 由于其特殊的低维结构而表现出许多独特的力学、 电学、 光学和热学性质, 在信息、 生物、 电子、 航空等 多个领域有重要的应用前景 ["] , 已成为纳米科学和 技术的国际研究热点+ 由于碳纳米管具有高热导率 和单向导热的热学性质, 它可以作为复合材料的添 加剂来提高材料的热学和力学性能 [&,(] , 制备纳米 流体来提高流体的导热性能 [%] , 对材料进行表面修 饰以强化相变和对流换热等 [*] +在这些应用中, 迫切 需要深入了解碳纳米管的导热性质和规律+ 近几年来, 不同的学者已采用实验测量 [3―0] 、 晶 格动力学理论 ["#―"&] 和分子动力学 (EF) 模拟 ["(―&"] 等 方法对碳纳米管的导热性质进行了研究+ )7- 等[3] 和GBH77 等['] 测量了单根多壁碳纳米管的热导率, IB 等[$] 和J:K 等[0] 测量了单根单壁碳纳米管的热导 率, 发现室温下碳纳米管的热导率高达几千 1-2 " )2 " +由于实验测量技术的实际困难和纳米尺度下 难以避免的误差, 目前还缺少系统、 确定的研究结 果+文献 ["#―"&] 利用 L:8>M-6,,

输运方程计算了碳 纳米管热导率, 主要侧重于定性研究和对物理机理 的探讨, 研究中碳原子振动参数有赖于选取石墨的 参数值+文献 ["(―&"] 通过分子动力学模拟研究了 各种因素对碳纳米管热导率的影响, 由于分子动力 学模拟既能得到碳纳米管的微观导热信息, 又能得 到其宏观导热性质, 人们对碳纳米管的导热性质的 研究得以不断深入+但总的看来, 理论和实验研究给 出的碳纳米管的热导率在定量上具有很大的差别, 不同研究者往往给出不同的结果, 目前对于碳纳米 管导热性质和规律的定量研究仍很缺乏+ 最受关注的关键问题之一是碳纳米管导热性质 的长度依赖性+碳纳米管的声子平均自由程很长 (为#.*! - 左右 [0] ) , 当声子平均自由程与碳纳米管长 度相近时, 碳纳米管的热导率会表现出明显的尺寸 效应+而低维导热理论指出, 在热力学极限下一维原 子链的热导率与长度成指数关系, 即!N!# !" , (") 通常指数" 为&O* 或"O( [&&] + 对于碳纳米管, E7,@: 等[""] 和16,@ 等[&(] 分别基于L:8>M-6,,

方程和P6,D6B 输运理论研究了热导率的尺寸效应, 发现碳 纳米 管长度增加, 其热导率增大+ QA7:-7 等[&%] 和E6RB