论文部分内容阅读
[摘 要]石墨烯作为一种新型材料，在多方面具有优良的特性，本文针对石墨烯的热学特性，对石墨烯的热学性能进行研究。首先介绍了石墨烯材料的特点，重点介绍其导热机理，然后对其热导率进行了预测模拟，最后对其热学性能的具体参数进行了研究测定，对石墨烯材料的热学性能进行了全面的分析研究。
[关键词]石墨烯、热学性能、热导率
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）14-0212-01
近年来，石墨烯材料发展迅速，具有广泛的应用前景，受到了广泛的关注。石墨烯作为一种新型材料，具有非常优异的特性。石墨烯是由碳原子以sp2杂化组成六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有单层碳原子的厚度，是目前最薄最轻的材料，厚度仅为0.34nm，比表面积为2630m2/g。然而它具有极高的强度，杨氏模量与金刚石相当。其次，石墨烯材料的载流子迁移率高，电流密度耐性大，导电性能优异。另外，石墨烯具有良好的导热性能，导热率达3000-5000 W/mK，与碳纳米管相当。
石墨烯通电后可以发射光谱波长在0.75-1000微米的远红外线。远红外与人体具有良好的亲和性，可与人体的分子产生谐振，让人感觉到温暖，其加热原理与阳光相似。远红外加热具有加热速度快，能耗低，穿透力强，有益于人体健康等特点。
1.石墨烯导热机理介绍
石墨烯本身导热性能良好，描述导热性能使用导热率。导热率定义是，物体内部垂直于导热方向取两个相距一米，面积一平方米的平面，若两平面温差为1K，则1秒内从一平面传导到另一平面的热量规定为该物资的热导率。热导率的基本计算公式如下：
热导率的计算单位为。其中的A代表的截面面积， Q表示导热中传递的热能，t为时间，T表示导热材料的温度差，l表示的是材料的长度，k为热导率计算值。对于所有导热材料，热导率还可以用来计算。这种表述中，三个数据分别为导热载体中的热容、平均速度以及平均的运行自由程。与此同时，热导率的物理意义是：单位时间中，单位温度梯度产生的热量，单位为WK-1【1】。将石墨烯与其他材料进行复合，两者会因为密度不同产生界面，这个界面具有一定的导热性，会对复合材料的导热性能造成影响。在导热过程中，界面热导率出现变化，其单位为，或者通过界面热阻KW-1描述：随着通过热量的变化，热阻变化，热导率改变。
热量传导期间，载体的种类主要有电子、声子、光子。但不同材料本身的导热机理也有很多不同，金属材料的导热载体为电子，一般情况下介电材料通过晶格振动导热，属于声子导热。光子导热一般发生在高温情况下。石墨烯主要由碳原子组成，碳原子本身拥有非常强的共价键，因此石墨烯导热方式主要为声子导热。声子导热的影响因素很多，最主要的影响因素为声子自由程，自由程包含两个散射的过程，一方面声子之间间接碰撞，产生新的声子，另一方面声子边界以及晶格的边界等都会产生缺陷散射。
声子属于导热介质，这种导热介质存在三种形式：1.沿波传播方向产生的振动；2.横向的振动；3.面外的振动。分别将这三种导热介质简称为LA、TA、ZA。石墨烯是单层原子构成，单原子层本身厚度受到限制，上下方向不会出现声子散射现象，所以声子选择面内传播【2】。但是因为石墨烯本身尺寸有限，边缘选择边界散射。声子自身比较大，其平均自由程基本都是根据低能量的声子进行传播，这样就导致石墨烯本身的热导率根据尺寸变化逐渐增加。石墨烯声子散射期间，会受到材料本身的限制，导致热导率随着缺陷的变化逐渐降低。
2.石墨烯热学性能中热导率数值模拟
石墨烯热学性能的研究，对我国以后热学的发展意义重大。对热学性能进行研究，首先需要从热导率开始。2000至今， 在Berber等人以平衡、非平衡分子动力学为基础的研究上，利用分子动力学将碳原子势能复合，采取数值模拟的方式，对单层的石墨烯进行热导率研究，在200-400K之间观察，发现温度不断升高时，热导率逐渐降低。根据以上模拟结果，在室温下，单层的石墨烯导热率为6600，这种比较高的热导率，与声子较大的平均自由程关系密切。当然，这种验证结果还需要进一步研究。尽管如此，从中仍能够发现，石墨烯层数不断变化时，声子的散射程度也在不断加深，石墨烯层与层之间的关系也出现变化，在它们的相互作用下，热导率不断降低，层数达到一定数量之后，石墨烯本身的热导率量级也出现变化。2001年对此研究进行了分子动力学模拟，对象为单层石墨烯与单臂碳纳米管，发现400K时，热导率达到峰值。具体测试多臂碳纳米管时，热导率变化明显，温度变化时，纳米管的密度不断变化，热导率逐渐达到峰值，所以，将导热载体确定为声子。从该实验研究中能够发现，温度升高时，声子相互碰撞加剧，同时自由程降低。温度不断降低时，声子散射机制主体为缺陷散射方式，这种散射形式其实对温度的依赖性不高。C-C键之间的光学声子能量比较高，因此石墨烯中所有的碳原子sp2温度都会升高，同时这个过程不存在散射机制不平衡的现象，热导率也比较高。
2009年，Nika等人提出石墨烯热学性能研究理论，研究中发现单层石墨烯自身的热导率影响因素之一为石墨烯片的尺寸，以及机理缺陷的浓度与边缘的粗糙程度。研究中取值范围为2000-5000。在此基础上，得出结论：温度为400K期间，热量的传递模式中，TA占49%，同时LA占50%， ZA仅占1%，这1%还包含其他一些声子模式的贡献。
2011年，Wei等人对石墨烯热学性能展开研究，采用分子动力学（非平衡）手段，对石墨烯属性深入探索。探索对象为多层石墨烯，探索内容为穿层热导率。研究期间，发现其实多层的石墨烯，本身界面具有较强的热阻能力，界面的热阻根据层数增加而逐渐降低。室内温度上升时，声子的波长会受到影响从而降低，这会造成声子隧道效应降低，从而使整体的界面热阻增大【3】。
3.石墨烯热学性能研究测定
进行石墨烯热学性能测定，主要有两种测定形式，一种为悬挂形式，该形式主要是将石墨烯两端进行悬挂，帮助其选择适当的支撑点，此种方式中，石墨烯材料大部分都可以自由移动。另一种形式为支撑式。这种形式主要是将石墨烯片底面支撑，保证其能够与基底全面接触，这样就可以以基底材料为媒介，对石墨烯热学性能进行分析。
单层石墨烯的热学性能，主要是以采取拉曼技术为基础进行测定的，首先以热导率为基础，将石墨烯剥离，然后将其安置在基底上，注意基底材料属性为Si/SiO2。使用共聚焦显微镜，激光照射悬挂的石墨烯，测量出其中G峰值期間激光率的变化。结合温度系数，利用计算公式进行准确计算。具体计算公式如下：
结束语：
综上所述，文章主要对石墨烯的热学性能进行研究，从而更加全面的掌握石墨烯的性能，为找到石墨烯热学性能的应用方式铺路。
参考文献：
[1]胡忠良，陈艺锋，李娜，丁燕鸿，刘富生，张伟. 石墨烯复合材料的结构、制备方法和原理[J]. 功能材料，2014，45（S2）：16-21.
[2]陈莹莹，宓一鸣，阮勤超，阮晓栋，金言宜. 石墨烯的制备及应用的研究进展[J]. 硅酸盐通报，2015，34（03）：755-763.
作者简介：
余秋萍（1997-）女，河南省商丘市人，民族：汉，学历：在读本科生。研究方向：电气工程及其自动化石墨烯取暖壁画
[关键词]石墨烯、热学性能、热导率
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）14-0212-01
近年来，石墨烯材料发展迅速，具有广泛的应用前景，受到了广泛的关注。石墨烯作为一种新型材料，具有非常优异的特性。石墨烯是由碳原子以sp2杂化组成六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有单层碳原子的厚度，是目前最薄最轻的材料，厚度仅为0.34nm，比表面积为2630m2/g。然而它具有极高的强度，杨氏模量与金刚石相当。其次，石墨烯材料的载流子迁移率高，电流密度耐性大，导电性能优异。另外，石墨烯具有良好的导热性能，导热率达3000-5000 W/mK，与碳纳米管相当。
石墨烯通电后可以发射光谱波长在0.75-1000微米的远红外线。远红外与人体具有良好的亲和性，可与人体的分子产生谐振，让人感觉到温暖，其加热原理与阳光相似。远红外加热具有加热速度快，能耗低，穿透力强，有益于人体健康等特点。
1.石墨烯导热机理介绍
石墨烯本身导热性能良好，描述导热性能使用导热率。导热率定义是，物体内部垂直于导热方向取两个相距一米，面积一平方米的平面，若两平面温差为1K，则1秒内从一平面传导到另一平面的热量规定为该物资的热导率。热导率的基本计算公式如下：
热导率的计算单位为。其中的A代表的截面面积， Q表示导热中传递的热能，t为时间，T表示导热材料的温度差，l表示的是材料的长度，k为热导率计算值。对于所有导热材料，热导率还可以用来计算。这种表述中，三个数据分别为导热载体中的热容、平均速度以及平均的运行自由程。与此同时，热导率的物理意义是：单位时间中，单位温度梯度产生的热量，单位为WK-1【1】。将石墨烯与其他材料进行复合，两者会因为密度不同产生界面，这个界面具有一定的导热性，会对复合材料的导热性能造成影响。在导热过程中，界面热导率出现变化，其单位为，或者通过界面热阻KW-1描述：随着通过热量的变化，热阻变化，热导率改变。
热量传导期间，载体的种类主要有电子、声子、光子。但不同材料本身的导热机理也有很多不同，金属材料的导热载体为电子，一般情况下介电材料通过晶格振动导热，属于声子导热。光子导热一般发生在高温情况下。石墨烯主要由碳原子组成，碳原子本身拥有非常强的共价键，因此石墨烯导热方式主要为声子导热。声子导热的影响因素很多，最主要的影响因素为声子自由程，自由程包含两个散射的过程，一方面声子之间间接碰撞，产生新的声子，另一方面声子边界以及晶格的边界等都会产生缺陷散射。
声子属于导热介质，这种导热介质存在三种形式：1.沿波传播方向产生的振动；2.横向的振动；3.面外的振动。分别将这三种导热介质简称为LA、TA、ZA。石墨烯是单层原子构成，单原子层本身厚度受到限制，上下方向不会出现声子散射现象，所以声子选择面内传播【2】。但是因为石墨烯本身尺寸有限，边缘选择边界散射。声子自身比较大，其平均自由程基本都是根据低能量的声子进行传播，这样就导致石墨烯本身的热导率根据尺寸变化逐渐增加。石墨烯声子散射期间，会受到材料本身的限制，导致热导率随着缺陷的变化逐渐降低。
2.石墨烯热学性能中热导率数值模拟
石墨烯热学性能的研究，对我国以后热学的发展意义重大。对热学性能进行研究，首先需要从热导率开始。2000至今， 在Berber等人以平衡、非平衡分子动力学为基础的研究上，利用分子动力学将碳原子势能复合，采取数值模拟的方式，对单层的石墨烯进行热导率研究，在200-400K之间观察，发现温度不断升高时，热导率逐渐降低。根据以上模拟结果，在室温下，单层的石墨烯导热率为6600，这种比较高的热导率，与声子较大的平均自由程关系密切。当然，这种验证结果还需要进一步研究。尽管如此，从中仍能够发现，石墨烯层数不断变化时，声子的散射程度也在不断加深，石墨烯层与层之间的关系也出现变化，在它们的相互作用下，热导率不断降低，层数达到一定数量之后，石墨烯本身的热导率量级也出现变化。2001年对此研究进行了分子动力学模拟，对象为单层石墨烯与单臂碳纳米管，发现400K时，热导率达到峰值。具体测试多臂碳纳米管时，热导率变化明显，温度变化时，纳米管的密度不断变化，热导率逐渐达到峰值，所以，将导热载体确定为声子。从该实验研究中能够发现，温度升高时，声子相互碰撞加剧，同时自由程降低。温度不断降低时，声子散射机制主体为缺陷散射方式，这种散射形式其实对温度的依赖性不高。C-C键之间的光学声子能量比较高，因此石墨烯中所有的碳原子sp2温度都会升高，同时这个过程不存在散射机制不平衡的现象，热导率也比较高。
2009年，Nika等人提出石墨烯热学性能研究理论，研究中发现单层石墨烯自身的热导率影响因素之一为石墨烯片的尺寸，以及机理缺陷的浓度与边缘的粗糙程度。研究中取值范围为2000-5000。在此基础上，得出结论：温度为400K期间，热量的传递模式中，TA占49%，同时LA占50%， ZA仅占1%，这1%还包含其他一些声子模式的贡献。
2011年，Wei等人对石墨烯热学性能展开研究，采用分子动力学（非平衡）手段，对石墨烯属性深入探索。探索对象为多层石墨烯，探索内容为穿层热导率。研究期间，发现其实多层的石墨烯，本身界面具有较强的热阻能力，界面的热阻根据层数增加而逐渐降低。室内温度上升时，声子的波长会受到影响从而降低，这会造成声子隧道效应降低，从而使整体的界面热阻增大【3】。
3.石墨烯热学性能研究测定
进行石墨烯热学性能测定，主要有两种测定形式，一种为悬挂形式，该形式主要是将石墨烯两端进行悬挂，帮助其选择适当的支撑点，此种方式中，石墨烯材料大部分都可以自由移动。另一种形式为支撑式。这种形式主要是将石墨烯片底面支撑，保证其能够与基底全面接触，这样就可以以基底材料为媒介，对石墨烯热学性能进行分析。
单层石墨烯的热学性能，主要是以采取拉曼技术为基础进行测定的，首先以热导率为基础，将石墨烯剥离，然后将其安置在基底上，注意基底材料属性为Si/SiO2。使用共聚焦显微镜，激光照射悬挂的石墨烯，测量出其中G峰值期間激光率的变化。结合温度系数，利用计算公式进行准确计算。具体计算公式如下：
结束语：
综上所述，文章主要对石墨烯的热学性能进行研究，从而更加全面的掌握石墨烯的性能，为找到石墨烯热学性能的应用方式铺路。
参考文献：
[1]胡忠良，陈艺锋，李娜，丁燕鸿，刘富生，张伟. 石墨烯复合材料的结构、制备方法和原理[J]. 功能材料，2014，45（S2）：16-21.
[2]陈莹莹，宓一鸣，阮勤超，阮晓栋，金言宜. 石墨烯的制备及应用的研究进展[J]. 硅酸盐通报，2015，34（03）：755-763.
作者简介：
余秋萍（1997-）女，河南省商丘市人，民族：汉，学历：在读本科生。研究方向：电气工程及其自动化石墨烯取暖壁画