单壁碳纳米管热导率的分子动力学模拟.pdfVIP

中固丁程热物理学会 传热传质学 2007年学术会议论义 编执073407 单壁碳纳米管热导率的分子动力学模拟 侯泉文曹炳刚 清华大学航天航窄学院，热科学5j动力T程教育部晕点实验室，北京100084 Tel： E—mai1： 010caobv@tsinghua．edu．cn nm 摘要：采用非、卜衡分了动力学方法研究』，有限长单壁碳纳米管的热导牢。对于12 K的碳纳米管， 其热导率最大约为70w／mK。由于管K的限制，碳纳米管中声予边界散射对声子、卜均臼由程的影响较 大，导致高温时热导率随温度升高丽下降的|-分缓慢，与碳纳米管体材料中高温时热导率，j温度成反 比的规律不唰。K度为6．62nm的(5，5)碳纳米管在300K时，热导率‘j管长的0．87次方成正比， 说明声予的弹道输运占很大比重。-碳纳米管热导率对管径的依赖关系与管K有关，：与管i!乏=很短时，热 导率不满足与管径成反比的关系。 关键词：碳纳米管；热导率；分子动力学模拟 1引言 碳纳米管自从1991年被发现以来，便受到人们的J、‘泛关注。研究者对其电学、光 学、力学和热学性质进行了大量的理论和实验研究。有理论预测，碳纳米管在常温下的 w加K|l 热导率可以达到6600 I，而实验测得的单壁碳纳米管的热导率在常温F也达到 3500 w／ml|二；。良好的导热性质使得碳纳米管在热控制和热管理方面具有J、‘泛的应州前 景。 碳纳米管的结构可看作由彳i墨片卷嗌而成，其结构可由手性欠鼙(m，n)描述。实 壁碳纳米管的热导率，不同研究者的测量结果并不完全相符。在理论研究方面，经常利 有很大的差别。因此，对于碳纳米管的导热还需要进一步的研究。此外，目前大多数的 实验和理论研究都是针对碳纳米管体材料，即长度远人于声子平均自由程的碳纳米管材 料，而对于很短的碳纳米管的研究相对较少。本文主要利用1F平衡分子动力学研究很短 的碳纳米管的热导率随温度、管长和管径的变化。 2分子动力学模拟方法 本文模拟的(n，n)扶 手椅型单壤碳纳米管的结 构示意图如图l所示(以(5， 5)碳纳米管为例)。碳碳原 子间距／i¨==1．44A，壁厚为 图】碳纳米管模拟系统示意图 圈家自然科学幕会资助项目fNo 3．4A。模拟中，将碳纳米管沿轴向方向等分成多个IX域，在最左边的区域和中间区域施 4产20—50 K为两热浴问的温差。轴向方向上采用周期性边界条件。 901 碳碳原子间的势能采用了Terso傣Brenner多体势， 磊2莩蒿，厶(。)[％(乃)一或％(乃)] 其中，万，伊，∥为势能截断函数，‰和％分别为排斥势和吸引势，嘞为多体势作用参数。 关于Terso年Brenner势的具体参数可参见文献矧。 fs。在模拟过程中，前5 利用Leap—Frog算法积分经典运动方程，积分步长=为0．5 万步对整个系统实行标定速度的等温算法，使系统平衡到平均温度；其后进行非平衡分 子动力学模拟。对达到稳定后的系统进行统计，计算出流经系统的热流，及系统温度分 布，利用Fourier导热定律 71 K=一，／V (2) 求出碳纳米管沿轴向的热导率。 3结果与分析 。 本文计算了100K到500K时长度为12nm的三种碳纳米管的热导率，以(10，10) 碳纳米管为例，其温度分布如图2所示，热导率随温度的变化如图3所示。从图2可以 看出，在两热浴之