柱状石墨烯界面热特性的分子动力学模拟

发布时间：2019-01-12 20:32

【摘要】：近年来,散热已经成为能量密度越来越高的电子器件的一个重要课题。作为散热系统的重要组成部分,热界面材料受到工业界和研究人员的广泛重视。为了改进传统热界面材料易老化、不耐疲劳和存在腐蚀等问题,碳纳米管及石墨烯相关的热界面材料被提出。但是,纳米管与热沉之间存在较高的界面热阻,石墨烯的法向热导率又偏小,基于纳米管和石墨烯的热界面材料性能有待进一步的提高。为了充分利用纳米管垂直方向的高导热性以及石墨烯的平整性,本文提出了一种新的热界面材料——柱状石墨烯。该结构以多层石墨烯为基础,石墨烯的层与层之间通过纳米管连接。这样,与热沉接触的是平整的石墨烯,法向导热的是纳米管,有望同时具备低接触热阻和高的法向热导。通过分子动力学方法,研究了结构本身以及它与不同热沉的热导随温度、石墨烯层数、纳米管密度等的变化关系。研究中建立了两种柱状石墨烯基本结构,一种是顶部和底部为石墨烯,中间为碳纳米管,称为Ⅰ型柱状石墨烯；另一种是顶部、底部和中部均为石墨烯,石墨烯之间为碳纳米管,称为Ⅱ型柱状石墨烯。首先,研究了柱状石墨烯本身的热学特性,主要设置了两个变量：体系中的碳纳米管数目和环境温度。从结果可知,两种柱状石墨烯结构的热导均随碳纳米管数的增加而线性增大,最大可比同尺寸厚度相同的纯石墨烯结构高出2个数量级,这证明由于纳米管的加入,柱状石墨烯在垂直方向的热导性能优良。柱状石墨烯的热导随环境温度的升高而增大,体现了纳米管与石墨烯的结合处声子散射随温度升高而减弱的特点。其次,研究了柱状石墨烯置于两个铜热沉之间的热特性。对于Ⅰ型柱状石墨烯/铜复合体系中,热导先随着纳米管数目的增加而增加,当碳纳米管数大于10时,热导达到饱和。分析表明,纳米管之间的热耦合以及石墨烯孔隙率的增大,使得从铜到柱状石墨烯之间的温度跳变增大,因而整个体系的热导不再增加。对于Ⅱ型柱状石墨烯/铜复合体系,由于中间石墨烯层对垂直方向声子输运的散射作用,热导始终比Ⅰ型柱状石墨烯/铜结构更小。另外,当环境温度大于450K时,两种柱状石墨烯复合体系的热导不随环境温度的增加而增大。这是由于,当温度过高时,铜内部原子运动加剧,阻碍了柱状石墨烯中碳纳米管的有效热传导,使得整个体系的热导不再增大。再次,研究了柱状石墨烯介于铜和硅之间的热特性。结果表明,在硅/Ⅰ型柱状石墨烯/铜复合体系中碳纳米管数大于12时,体系的热导便不再随碳纳米管数的增加而增大,并且在硅/Ⅱ型柱状石墨烯/铜中碳纳米管数大于6时,体系的热导也不再随碳纳米管数的增加而增大。这说明,硅使得整个体系的导热性质发生了改变,当柱状石墨烯中某一处碳纳米管距离很近时,热耦合效应也会变得十分明显,从而阻碍了碳纳米管的有效热传导。另外,当环境温度大于450K时,两种柱状石墨烯复合体系的热导也不再随环境温度的增加而增大。这就说明,虽然硅材料使柱状石墨烯中碳纳米管的热耦合特性发生了改变,但对结构温度特性的影响并不大。本文通过分子动力学模拟的方法对柱状石墨烯及柱状石墨烯复合结构进行了系统的模拟,为柱状石墨烯作为热界面材料的研究和应用提供了有价值的参考数据。
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【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1;O613.71

【共引文献】