单壁碳纳米管导热系数的分子动力学仿真

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1991年日本的Iijima博士发现了碳纳米管,随后,一系列的报道称碳纳米管具有独特的力学和电学等性能,由此引发了国内外对碳纳米管研究的热潮。随着电子机械组件的特征尺寸不断下降至微米、纳米量级,材料的热传输效率很大程度上决定了微电子机械的功能和使用寿命。碳纳米管具有和金刚石、石墨某些相似的性质,有报道称碳纳米管具有很高的热导率,其导热性能甚至能与金刚石的相媲美。鉴于碳纳米管这种优异的导热性能,碳纳米管以及基于碳纳米管的混合物被认为在微机械组件的散热等方面具有非常诱人的应用前景。有研究发现,在直径足够大的单壁碳纳米管中添加C60分子可以形成一种新的混合物,并将其形象的比喻成“豆荚”。人们猜想,这种新的物质的热学等性能将不同于纯净的碳纳米管,目前,国外已有关于该物质的导热性能的报道。本文中,为了进一步研究这种新型混合物的导热性能,在碳纳米管中填充氩,分别研究了具有相同长度(约5nm)的(10,10)型和(15,15)型的单壁碳纳米管,运用分子动力学方法对它们在500~1200K的温度范围内的导热系数进行了模拟计算。另外,为了将结果同纯净的碳纳米管进行比较,分析加氩对碳纳米管导热性能的影响,本文对在相同条件下的(10,10)型和(15,15)型的单壁碳纳米管的导热系数也进行了分子动力学模拟。模拟结果发现,在500~1200K的温度范围内,(10,10)型和(15,15)型单壁碳纳米管在填充氩后的导热系数值均随着温度的升高而下降,这与空的碳纳米管的导热系数随温度的变化关系相似;在相同温度下,这两种类型的碳纳米管在填充氩后的导热系数值均比相应的空的碳纳米管的导热系数值明显高很多。碳管导热性能的显著提高,主要是因为C-Ar原子间的相互作用引起了热传导以及Ar原子在碳纳米管内的活跃运动而导致了传质现象的发生。
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