多壁碳纳米管与基体之间界面热输运MD模拟及分析 王照亮.docVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：143364 多壁碳纳米管与基体之间界面热输运MD模拟及分析 王照亮，苑昆鹏，姚贵策，梁金国 （中国石油大学（华东） 能源与动力工程系, 青岛 266580） 摘要：与基体之间的热耦合对纳米结构界面热输运起主导作用。采用NEMD模拟了垂直生长多壁碳纳米管与Si基体之间的热耦合，得到界面热导的温度效应和作用力效应并利用声子输运理论进行了分析。低温下MWCNT与Si之间声子的态密度匹配较好，界面热输运能力主要取决于界面两侧低频声子的耦合振动，高温下近界面区域内热输运能力受高频声子的非弹性散射影响而逐渐增强。随van der Waals力增强界面热导呈线性增大。 关键词：多壁碳纳米管，界面热导，MD模拟，声子，非弹性散射 前言 通过碳纳米管纳米结构中纳米尺度界面的能量输运对于碳纳米管的特性具有重要作用。比如，用作热沉的碳纳米管阵列，尽管自身热导率较大，但纳米界面热导（TBC）在碳纳米管阵列与基体之间的热输运中起主导作用甚至阻碍作用。在CNT）传感器中，器件的最大载流能力受介电基体热扩散和自加热作用的限制。针对垂直生长碳纳米管与基体之间的点接触，Prasher[1-2]认为点接触热阻主要来源于两个方面：碳纳米管和基体的声学声子特性失配；由于接触面的约束使得热流线发生变形，通常纳米尺度点接触热阻主要受前者影响。因此，为了深入揭示碳纳米管与基体之间的热扩散渠道，有必要研究碳纳米管和基体之间的能量耦合过程。 CNT与基体之间的热输运属于短程区域内微观点接触问题，近点接触区域的能量载流子的动力学特性受到约束，能量输运受到短程区域内CNT及基体近界面区域强耦合（键合力）、弱耦合（van der Waals力）共同作用的影响。MD）可有效模拟与碳纳米管有关的界面热输运。目前MD技术较多用于碳纳米管与液体或固体等包裹体之间的界面热导模拟[3-5]，而用于碳纳米管与基体之间点接触能量输运的研究较少。Zhong[6]利用NEMD模拟了相互平行局部叠合的两个单壁碳纳米管（SWCNT）内沿长度方向的温度分布，进而确定了叠合部位的界面热阻，与Huxtable[7]对（5,5）模拟的界面热阻（4×10?8 m2 K/W）量级相同。Ong等[8]利用NEMD研究了CNT-SiO2之间的能量耦合，在200 - 600 K之间单位管长的界面热导随van der Waals作用力和CNT直径增大而增大，与温度呈幂指数关系（~T1/3），而与基体-CNT之间的作用力无关，说明声子非弹性散射对界面热输运起重要作用。Ong等[9]分别利用瞬态弛豫时间法和平衡Green–Kubo法进一步模拟了（10,10）CNT-SiO2之间线-界面热导随声子频率和声子模式的变化规律；发现界面热耦合主要受低频声子影响，高频区影响较小，说明高频CNT声子与基体声子耦合是通过非弹性散射实现的。上述MD模拟主要是针对SWCNT与基体之间的能量耦合过程，尚缺乏多壁碳纳米管（MWCNT）与基体之间能量耦合过程的研究，特别是多壁管层数、温度、van der Waals力、近界面效应等对MWCNT与基体界面热导的影响研究较少。因此，本文的主要目的是采用MD模拟研究MWCNT与基体之间声子输运对界面热导的影响。 MD模拟过程及条件 考虑到并行计算和采用的势函数，采用分子动力学程序LAMMPS进行模拟。本文的MD模拟采用由Brenner势函数得到的AIREBO势函数模拟MWCNT内的C-C相互作用。根据AIREBO势函数可以准确再现声子态密度（DOS）。在不考虑特殊成键的情况下，Tersoff势能在长时间的NVE循环中能更好的保持温度的恒定性，温度基本上在平衡值上下波动，故采用Tersoff型势函数模拟界面处C-Si之间和基体内Si-Si相互作用。模拟过程不考虑原子间长程库仑力的作用。另外，在MWCNT与基体原子间作用的模拟中，在轴向上采用周期性边界条件，避免边界处形成空位。综合考虑，选择Tersoff势能进行模拟。Tersoff势能的表达式如下： （1） 其中，i, j代表体系中的原子，表示i, j原子成键键长，为i原子和其邻近原子j之间的作用能，、分别表示产生作用能的排斥项和吸引项，为势能截取函数，为键序函数。 Tersoff多体势能只考虑了近程原子的作用力，即当原子间距大于2.1时，原子间的多体相互作用势能就被截断。故在计算中，有时还要考虑远程力的作用，比如van der Waals力的作用。van der Waals作用势能，即Lennard-Jones势能的表达式如下： （