氮化硼—碳双壁纳米管热力学特性的模拟研究

摘要

随着科学研究的不断深入，科学家创造性地生长出氮化硼包裹碳纳米管的复合结构，被称为氮化硼—碳双壁纳米管(CNT@BNNT)。该结构结合双方的优点，表现出强度和韧性高、热稳定性好、抗氧化能力强、耐高温等优异特性，同时克服了碳纳米管高温易被氧化以及氮化硼纳米管导热性能低于碳纳米管的缺点。本文采用分子动力学模拟计算了氮化硼—碳双壁纳米管热力学性能以及其分别与铜和硅形成的界面热导的特性。 首先，模拟研究了氮化硼—碳双壁纳米管热力学特性。氮化硼—碳双壁纳米管CNT(10,0)@BNNT(19,0)的应力随着压缩应变的增加而线性地增大而后减小，其压缩杨氏模量为0.856TP。CNT(10,0)@BNNT(19,0)随着内外管管间作用力的增强，临界应变和压缩杨氏模量均有所增加。在温度为100K至1200K范围内，CNT(10,0)@BNNT(19,0)热导率随着温度的升高先是大幅度降低最后趋于缓和，具体值从318.52W/m/K减小到65.62W/m/K。在压缩应变为0至0.1范围内，CNT(10,0)@BNNT(19,0)热导率值明显地随着压缩应变增加而减小，具体值从196.57W/m/K减小到27.73W/m/K。 其次，模拟研究了氮化硼—碳双壁纳米管和铜的界面热导特性。氮化硼—碳双壁纳米管CNT(10,0)@BNNT(19,0)和基底Cu的界面热导在温度范围为100K至1000K内随着温度的升高而增加，具体值从6.876×108W/m2/K增加到9.393×108W/m2/K。CNT(10,0)@BNNT(19,0)和基底Cu的界面热导存在热整流效应，CNT(10,0)@BNNT(19,0)作为热端时的界面热导值在各个温度均大于基底Cu作为热端时的值。在压缩应变为0至0.1范围内，CNT(10,0)@BNNT(19,0)和基底Cu的界面热导随着压缩应变增加而增大，具体值从7.329×108W/m2/K增加到13.463×108W/m2/K。 最后，模拟研究了氮化硼—碳双壁纳米管和硅的界面热导特性。氮化硼—碳双壁纳米管CNT(10,0)@BNNT(19,0)和基底Si的界面热导在温度范围为100K至1000K内随着温度的升高而增加，具体值从4.537×108W/m2/K增加到9.666×108W/m2/K。CNT(10,0)@BNNT(19,0)和基底Si的界面热导存在热整流效应，CNT(10,0)@BNNT(19,0)作为热端时的界面热导值在各个温度均大于基底Si作为热端时的值。在压缩应变为0至0.1范围内，CNT(10,0)@BNNT(19,0)和基底Si的界面热导随着压缩应变增加而增大，具体值从4.798×108W/m2/K增加到7.940×108W/m2/K。 本论文的研究结果可以为氮化硼—碳双壁纳米管的研究和应用提供一定的参考。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 氮化硼—碳双壁纳米管介绍

1.2.1 氮化硼—碳双壁纳米管的结构和制备

1.2.2 氮化硼—碳双壁纳米管的性质和应用

1.3 国内外研究现状

1.3.1 氮化硼—碳双壁纳米管模拟方面

1.3.2 氮化硼—碳双壁纳米管实验方面

1.3.3 界面热导

1.4 研究目的和研究内容

2 分子动力学模拟相关内容

2.1 分子动力学概述

2.2 势函数介绍

2.3 分子动力学模拟步骤

2.4 分子动力学相关软件

2.5 分子动力学模拟中系统平衡控制

2.5.1 系综控制

2.5.2 温度控制

2.5.3 压强控制

2.6 导热系数的分子动力学模拟

2.6.1 平衡分子动力学模拟EMD

2.6.2 非平衡分子动力学模拟NEMD

3 氮化硼—碳双壁纳米管热力学特性的模拟研究

3.1 模型构建和模拟过程

3.1.1 模型构建

3.1.2 势函数

3.1.3 模拟过程

3.2 模拟结果与分析

3.2.1 不同长度氮化硼—碳双壁纳米管压缩应力应变曲线

3.2.2 管间作用力对氮化硼—碳双壁纳米管压缩应力应变曲线的影响

3.2.3 温度对氮化硼—碳双壁纳米管热导率的影响

3.2.4 压缩应变对氮化硼—碳双壁纳米管热导率的影响

3.3 本章小结

4 氮化硼—碳双壁纳米管和铜界面热导的模拟研究

4.1 模型构建和模拟过程

4.1.1 界面模型

4.1.2 势函数

4.1.3 模拟过程

4.2 模拟结果与分析

4.2.1 温度对界面热导的影响

4.2.2 热整流效应

4.2.3 压缩应变对界面热导的影响

4.3 本章小结

5 氮化硼—碳双壁纳米管和硅界面热导的模拟研究

5.1 模型构建和模拟过程

5.1.1 界面模型

5.1.2 势函数

5.1.3 模拟过程

5.2 模拟结果与分析

5.2.1 温度对界面热导的影响

5.2.2 热整流效应

5.2.3 压缩应变对界面热导的影响

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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