工程应变对碳基薄膜材料热学性质的影响

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为了使材料的导热性能更好的满足应用需求和工作环境,往往需要根据实际情况来对其进行调节。例如,增强材料的导热性能使其应用于散热器件;或者尽可能降低材料的导热性能使其用于热电领域中。因此根据需求对材料的导热性能进行调控具有重要的工程应用价值。目前常用的调控材料导热性能的方法包括施加工程应变、引入缺陷、掺杂、裁剪等。在这些调控方法中,工程应变具有其独特的优势。例如采用该方法在实际应用中更容易操作,并且在调控过程中不会对结构造成不可逆的改变,即具有可逆性;同时也能够在较大范围内对材料的导热性能进行调节等。因此,本文将采用分子动力学方法,系统的研究局部应变以及整体应变对于碳基薄膜材料导热能力的影响。研究取得如下成果:(1)在局部应变场的作用下,石墨烯纳米带的界面热阻与局部应变之间呈线性关系,且在10%应变下可以使石墨烯纳米带的界面热阻增加为无应变状态下的1.5倍。进一步,通过分析局部应变下材料的微观结构、热流散射的变化以及振动态密度耦合因子等物理量揭示了局部应变调控材料导热性能的微观机理。该研究成果表明通过施加局部应变场能够简便有效的调节石墨烯纳米带或其它二维材料的导热能力。(2)完成了对于金刚石纳米线薄膜导热性能的研究。研究结果表明该结构的导热能力具有很强的各向异性。其沿管轴方向的热导率约为垂直于管轴方向的300倍。同时金刚石纳米线薄膜沿管轴方向的热导率存在较强的尺寸依赖性,而垂直于管轴方向的热导率则对于尺寸的变化并不敏感。(3)研究了单轴拉伸、压缩应变对于金刚石纳米线薄膜导热性能的影响。当对模型施加应变时,沿管轴方向下拉应变及压应变均使金刚石纳米线薄膜的热导率降低;而在垂直于管轴的方向该结构的热导率随着压应变的增加而呈指数型增加。进一步,通过分析应变下的结构形变、声子散射曲线等物理量对产生该现象的微观机理进行了解释。相关研究结果为金刚石纳米线薄膜在热管理领域中的应用提供了理论参考。
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