| 题名 | 碳纳米结构的热输运性质理论研究 |
| 作者 | 潘瑞芹 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2008-01-04 |
| 授予单位 | 中国科学院上海应用物理研究所 |
| 授予地点 | 上海应用物理研究所 |
| 导师 | 朱志远 |
| 关键词 | 碳纳米管 功能化 分子动力学 热输运 |
| 其他题名 | Investigation of Thermal Transport Properties of Carbon Nanostructures |
| 学位专业 | 粒子物理与原子核物理 |
| 中文摘要 | 由于碳纳米结构的奇特性和多样性，以及它们所具有的多种优良的物理和化学性质，使其成为纳米尺度科学技术的重要研究对象，并可用来制备多种具有特殊性质的新型功能材料以及未来的纳米电子学器件和纳米机械部件。碳纳米管和功能化碳纳米管的热输运性质是目前纳米材料研究的前沿和热点。本论文围绕单壁碳纳米管、功能化碳纳米管和双壁碳纳米管的热传导问题，采用以分子动力学模拟为主的方法，进行了探索性的研究。纳米尺度热传导的实验研究，由于实验条件的限制，尚处于一个初始阶段。而理论和模拟研究也都处于一个尚未成熟的阶段。本论文利用基于Brenner II相互作用模型势的非平衡态分子动力学模拟方法，并应用傅立叶方程求解计算，研究了碳纳米结构的热输运性质。本论文在原有Brenner MD程序的基础上发展并实现了通过交换粒子速度产生温度梯度的非平衡态方法。本论文首先研究了扶手椅型单壁碳纳米管的热导率与碳管半径、温度和长度之间的关系。研究发现扶手椅型单壁碳纳米管的热导率随着温度的升高而减小，随着半径的增大而增大，随着所模拟碳管长度的增加而增大。初步揭示了碳纳米管的热导率λ与长度L满足关系式 。功能化碳纳米管是目前碳纳米管科学研究的热点问题之一。本文应用分子动力学模拟的方法，模拟研究了不同程度的规则有序加氢功能化对单壁碳纳米管热导率的影响。研究发现，功能化的碳纳米管的截面发生了明显的形变，不再是圆形，被功能化的碳原子有远离轴线的趋势。由于sp3杂化轨道的引入，规则有序功能化碳纳米管的热导率有明显减小，当有一列碳原子被氢化后（功能化程度为5%），碳管的热导率减小了大约1/3，但比Padgett C W和 Brenner D W所研究的任意位置功能化对碳纳米管热导率的影响小很多。继续增强功能化程度，发现热导率继续减小，但是热导率减小的幅度明显缓和。研究结果说明单壁碳纳米管在纳米复合材料的热操纵方面具有应用前景。本论文中还研究了不同功能化程度下的碳纳米管的声子谱，结果表明，由于修饰后的碳原子的轨道由原来的sp2杂化重新杂化为sp3杂化，所以功能化碳纳米管的声子谱分布相对于纯的碳纳米管有明显变化。论文的最后部分是应用分子动力学直接模拟的方法，研究了双壁碳纳米管中不同外管覆盖率的情况下，内管热导率的变化。结果显示，当有固定不动的外管覆盖时，内管的热导率变化不是很大，最小的热导率相对于没有外管覆盖的情况减小了只有大约1/4。随着外管覆盖率的增大，内管热导率的变化趋势呈现非线性的特点，整个变化曲线类近似于一个“V”型，并且当覆盖率大约为一半时，热导率达到了最小。同时对各种情况下内管的声子谱的研究发现，与没有外管覆盖的情况相比较，声子谱的变化不大，而变化主要集中在低频区。这些研究结果为制备碳纳米结构器件提供了具有指导意义的知识。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2012-04-11 |
| 页码 | 109 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/7167]  |
| 专题 | 上海应用物理研究所_中科院上海应用物理研究所2004-2010年 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 潘瑞芹. 碳纳米结构的热输运性质理论研究[D]. 上海应用物理研究所. 中国科学院上海应用物理研究所. 2008. |
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