折叠石墨烯导热性能与浸润性的分子动力学研究

来源 :华北电力大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:viery
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石墨烯作为准二维晶体,因其优异的性能而具有广泛的应用范围,由于应用于不同的场景需要利用不同的性能,所以石墨烯的热导率和浸润性都得到了广泛的研究。石墨烯发生折叠后会使其许多物理参数发生改变,比如热导率会降低,但是折叠对石墨烯热导率的影响机理还不是很清楚,而且折叠石墨烯的浸润性还没有很深入的研究,所以本文针对折叠石墨烯的热导率和浸润性开展研究。本文采用分子动力学的方法,研究了折叠石墨烯的热导率,并且分析论证了折叠石墨烯热导率降低的机理;还研究了石墨烯的浸润性,包括不同应力下石墨烯的浸润性,以及折叠石墨烯微结构的浸润性。本文研究的目的是发展和完善折叠对石墨烯热导率产生影响的机理,以及折叠石墨烯的浸润性以及不同因素对其浸润性的影响。为揭示折叠对石墨烯热导率的影响机理,先验证了折叠石墨烯本身的热导率为折叠前的64.42%。通过简正模式分析法计算不同声子支的热导率发现,折叠石墨烯的TA支声子对导热的贡献相对于单层和双层石墨烯要小得多。分析比较色散关系发现,折叠石墨烯TA支声子的弛豫时间要低于其他类型石墨烯,这是造成TA支热导率减小的主要原因。分析声子色散曲线发现,石墨烯的TA声子弛豫时间在折叠前平均为7.57 ps,在折叠后仅保持4.27 ps,声子弛豫时间显著降低。为了解折叠如何影响TA支声子传输,还讨论了应力贡献和声子模式失配行为的影响。发现应力对TA分支声子传输和热导率的影响可以忽略。声子折叠散射是缩短石墨烯的弛豫时间并降低其导热系数的主要原因。当声子通过折叠时,沿平面内方向的一些声子需要从平面内模式改变为混合模式,并在通过折叠后变回平面内模式。对于折叠石墨烯的浸润性,先是研究了不同应力作用下石墨烯的浸润性,发现对石墨烯施加拉力后,水在石墨烯表面的接触角降低,表现出明显的亲水性。而对石墨烯施加压力而产生褶皱后,水滴的接触角没有发生太大的变化,但是有褶皱的石墨烯表面的水滴铺展直径要明显小于平板石墨烯,所以对石墨烯施加压力,产生褶皱后实际上增强了石墨烯的疏水性。然后研究折叠石墨烯微结构的润湿性,通过对比发现,随着层间距的增大,水在折叠石墨烯表面可以实现由Wenzel态到Cassie态的转变,通过施加不同的应力可以改变层间距,从而实现自清洁的目的;在相同的层间距下,增加折叠部分的深度,不会改变其Wenzel态或Cassie态,但是会明显增大接触角,减小铺展直径,说明在层间距相同的情况下,增大深度可以增强折叠石墨烯的疏水性。
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