多壁碳纳米管与基体之间界面热输运分子动力学模拟.PDF

山东科学 第２８卷 第３期２０１５年６月出版 ＳＨＡＮＤＯＮＧＳＣＩＥＮＣＥ Ｖｏｌ．２８Ｎｏ．３Ｊｕｎ．２０１５ ＤＯＩ：１０．３９７６／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－４０２６．２０１５．０３．００９ 【能源与动力】 多壁碳纳米管与基体之间界面热输运分子动力学模拟 杨德伟，苑昆鹏，孙铭蔓，王照亮 （中国石油大学（华东）能源与动力工程系，山东青岛２６６５８０） 摘要：碳纳米管与基体之间的热耦合对纳米结构界面热输运起主导作用。采用非平衡态分子动力学模拟了垂直生长多 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 多壁碳纳米管与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。随着范德瓦尔斯力增强，界面热导线性增大。 关键词：多壁碳纳米管；界面热导；分子动力学模拟；声子；非弹性散射 中图分类号：ＴＫ１２４；ＴＢ３８３　　　文献标识码：Ａ　　　文章编号：１００２４０２６（２０１５）０３００４５０５ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒｄｙｎａｍｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｍａｌｔｒａｎｓｐｏｒｔａｌｏｎｇｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎｍｕｌｔｉｗａｌｌｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅａｎｄｉｔｓｓｕｂｓｔｒａｔｅ ＹＡＮＧＤｅｗｅｉ，ＹＵＡＮＫｕｎｐｅｎｇ，ＳＵＮＭｉｎｇｍａｎ，ＷＡＮＧＺｈａｏｌｉａｎｇ （ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｑｉｎｇｄａｏ２６６５８０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ∶Ｔｈｅｒｍａｌｃｏｕｐｌｉｎｇｂｅｔｗｅｅｎｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅ（ＣＮＴ）ａｎｄｉｔｓｓｕｂｓｔｒａｔｅｐｌａｙｓａｐｒｅｄｏｍｉｎａｎｔｒｏｌｅｉｎｔｈｅｒｍａｌ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｌｏｎｇｔｈｅｉｒｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｗｅｅｍｐｌｏｙｎｏｎｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｍｏｌｅｃｕｌａｒｄｙｎａｍｉｃｓ（ＮＥＭＤ）ｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｃｏｕｐｌｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎＣＮＴａｎｄｉｔｓＳｉｓｕｂｓｔｒａｔｅ．Ｗｅｆｕｒｔｈｅｒａｃｑｕｉｒｅｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｆｏｒｃｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｒｍａｌｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ ａｎｄａｎａｌｙｚｅｔｈｅｍｗｉｔｈｐｈｏｎｏｎｔｒａｎｓｐｏｒｔｔｈｅｏｒｙ．Ｐｈｏｎｏｎｓｔａｔｅｄｅｎｓｉｔｙｂｅｔｗｅｅｎｍｕｌｔｉｗａｌｌｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅ（ＭＷＮＴ）ａｎｄＳｉ ｗｅｌｌｍａｔｃｈｅｓａｔｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｔｈｅｒｍａｌｔｒａｎｓｐｏｒｔａｂｉｌｉｔｙｄｅｐｅｎｄｓｏｎｌｏｗｆｒｅｑｕｅｎｃｙｐｈｏｎｏｎｃｏｕｐｌｉｎｇｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇａｔｔｗｏｓｉｄｅｓｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｔｈｅｒｍａｌｔｒａｎｓｐｏｒｔａｂｉｌｉｔｙａｔｎｅａｒｉｎｔｅｒｆａｃｅｒｅｇｉｏｎｉｓａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｐｈｏｎｏｎｉｎｅｌａｓｔｉｃ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ．ＴｈｅｒｍａｌｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅｌｉｎｅａｒｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｖａｎｄｅｒＷａａｌｓｆｏｒｃｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ∶ｍｕｌｔｉｗａｌｌｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅ；ｔｈｅｒｍａｌｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ；ＭＤｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｐｈｏｎｏｎ；ｉｎｅｌａｓｔｉｃｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ 　　碳纳米管（ｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅ，ＣＮＴ）纳米结构中纳米尺度界面的能量输运对于ＣＮＴ的特性具有重要作 用。比如，用作热沉的ＣＮＴ阵列，尽管自身热导率较大，但纳米界面热导（ｔｈｅｒｍａｌｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ， ＴＢＣ）在ＣＮＴ阵列与基体之间的热输运中起主导甚至阻碍作用。在ＣＮＴ传感器中，器件的最大载流能力受