碳纳米管/三元乙丙橡胶复合材料导热系数分子动力学模拟

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导热材料广泛应用在国防工业和国民经济各个领域中。近几年来,在科学技术和工业生产都得到了飞速发展的同时,许多应用的特殊场合对材料尤其是导热材料提出了新的要求:希望其不仅要具有良好的综合性能,同时要具备较高的导热性能。高分子聚合物是一种常见的导热材料,需要对其导热性能和导热机理进行深入研究。碳纳米管是一种导热性能优越的纳米材料,可作为聚合物材料的导热填料使用。本文的研究对象为碳纳米管/橡胶复合材料,采用平衡分子动力学方法,文章简单阐述了其导热性能的相关知识,研究了碳纳米管本身的结构缺陷对碳纳米管导热性能的影响,采用AIREBO势函数对聚合物体系内部的相互作用进行了分析,最后,对不同碳纳米管填充三元乙丙橡胶之后整个体系导热性能的变化进行了研究。对碳纳米管导热系数的研究发现:完整的碳纳米管由于其独特结构使其呈现出优异的导热性能,出现缺陷的碳纳米管导热系数都有不同程度的降低,且出现在碳纳米管边缘位置的缺陷对整个碳纳米管导热系数的影响更大。因此,在碳纳米管作为导热填料应用时,应尽量保证其微观结构质量,避免出现空位缺陷和其它缺陷。在对聚合物体系内部相互作用的研究中,如果采用AIREBO势函数描述聚合物内部原子、分子相互作用,并计算其导热系数,AIREBO势函数中Torsion势能部分的参数选取至关重要。对碳纳米管/三元乙丙橡胶复合材料导热系数的研究发现:在碳纳米管长度相同的情况下,随着直径的变化,复合体系所表现出来的导热系数没有呈现出一定的规律,稳定维持在100W/(m·K)左右。这是因为:在碳纳米管长度不变时,增大直径后,碳原子数也随之增多,加之三元乙丙橡胶分子属于高分子链,分子结构复杂,对碳纳米管中的碳原子有可能表现出除了势函数中所描述的相互作用形式,使的模拟结果所呈现的规律不够明显。碳纳米管的一维导热特性也同样适用于碳纳米管/三元乙丙橡胶复合材料。金属管和半金属管相对于半导体管呈现出较低的导热系数,导电能力较好的碳纳米管导热能力较差。
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