【摘 要】
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实现材料导热性能的动态调控对电子、航空航天、建筑节能等领域的发展有重要意义。本文基于铁电材料的微观结构对电场的独特响应,结合纳米传热理论,针对电场调控铁电材料导热性能及其内在机理这一科学问题进行了研究。首先,提出了通过电场极化调控有机铁电体—聚偏氟乙烯热导率的策略。分子动力学模拟表明,常温下聚偏氟乙烯晶体的热导率调控范围为0.16～0.52 W·m-1k-1,调控比例达3.25,调控效果随温度的上
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实现材料导热性能的动态调控对电子、航空航天、建筑节能等领域的发展有重要意义。本文基于铁电材料的微观结构对电场的独特响应,结合纳米传热理论,针对电场调控铁电材料导热性能及其内在机理这一科学问题进行了研究。首先,提出了通过电场极化调控有机铁电体—聚偏氟乙烯热导率的策略。分子动力学模拟表明,常温下聚偏氟乙烯晶体的热导率调控范围为0.16～0.52 W·m-1k-1,调控比例达3.25,调控效果随温度的上升逐渐减弱。实验上,半晶体薄膜的热导率调控比例为1.53,进一步验证了该策略。形态和声子性质分析表明,极化后分子链间的排列有序性提高,链间相互作用增强,抑制了声子散射,提高了声子群速度,导致了热导率的提高。与掺杂高导热填料的方法相比,电场调控对材料机械性能的影响较小。其次,研究了电场极化对氢键铁电体—奇数尼龙热导率的影响。模拟发现,极化后奇数尼龙中的氢键密度增加,热导率可由0.30 W·m-1k-1提升至0.90 W·m-1k-1。酰胺基团密度越大,热导率调控效果越显著。进一步的氢键、形貌和声子性质分析表明,链间氢键密度的增加提供了更有效的导热路径,提高了分子结构的有序性,有利于声子的输运。未极化结构在不同电场下的热导率结果表明,只有电场强度超过了阈值时,才能有效改变热导率。再次,研究了电场对无机铁电体—钛酸钡晶体热导率的调控。分子动力学模拟发现,电场可以切换钛酸钡晶体的极化方向,引起其晶格尺寸发生1%～2%的变化。结构上的各向异性导致了其热导率的各向异性。在30 MV/m的电场下,通过改变电场的方向,可以实现1.83的热导率调控比例(2.82～5.26 W·m-1k-1),维持300 MV/m的电场可以使调控比例提升至2.26。声子性质分析表明,热导率的改变主要来源于低频声子散射程度的改变。最后,研究了电场对无机/有机（硅/聚偏氟乙烯）界面导热的影响。分子动力学模拟结果表明,随着外加电场的增强,界面热导可从50.6 MW·m-2K-1提升至107.3MW·m-2K-1。同时,界面热导也受到电场方向的影响。原子密度分布和界面结合强度的分析表明,电场引起的界面间范德华作用增强是界面热导增大的原因。此外,改变电场方向可以改变靠近界面的原子类型,从而影响界面结合作用,改变界面热导。本文对不同类型的铁电材料的导热性能对电场的响应及其机理进行了深入的研究,为利用外场动态地调控材料的导热性能提供了思路和指导。
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