纳米谐振器热弹性衰减特性分析

发布时间：2020-11-11 16:32

　　 纳米结构元器件相比宏观材料有其特有的物理、机械、电导性能,现在已经广泛应用于微纳米传感器等许多工业和科研领域,最典型的工作方式是利用其谐振方式。纳米谐振器振动过程中能量不可避免地会转化为热量耗散至外界,从而造成能量的衰减,我们用热弹性阻尼来表征纳米谐振器一个周期内的能量衰减程度。广义热弹性理论分析纳米谐振器热弹性衰减问题引入松弛时间的概念,认为热量在纳米杆中的传播速度有限性。本文首先将纳米谐振器的传感部件视为纳米杆,通过分子动力学模拟的方法分析了结构尺度、热源温度对热松弛时间的影响,结论表明热松弛时间是纳米杆的基本参数,不会随着结构尺度和热源温度的变化而变化。同时计算了铜、铝、镍三种材料的热松弛时间参考值。能量转换为热量的过程体现了能量的衰减,分析纳米谐振器能量首先将纳米谐振器振动部件视为纳米梁,采用自由边界条件通过分子动力学模拟的方法分析了不同参数对纳米梁热弹性阻尼的影响,结果表面纳米梁在振动过程中不同因素对热弹性阻尼的影响会随着振动周期的增长而减弱,在振动到一定周期之后,热弹性阻尼将会降低到510-次方量级。同时发现纳米梁长度越长,热弹性衰减就越小,反之越大;环境温度越高,热弹性衰减也会越大;保持梁的宽度方向不变,梁的L/H值越小,热弹性阻尼越大;此外模拟了圆柱体梁和长方体梁横向振动的热弹性阻尼变化情况,发现长方体梁相比圆柱体梁热弹性耗散较大。最后模拟了纳米梁纵向振动热弹性阻尼变化情况,结果表明纳米梁纵向振动热弹性阻尼有着和横向振动相同的变化趋势,说明横向振动和纵向振动两种模式的热弹性阻尼产生机理基本是一致的。最后概括总结了三种基于经典热传导方程热弹性阻尼理论模型,分别为:Zener标准粘弹性模型、Lifshitz-Roukes通过复频率法计算热弹性阻尼精确解模型、Ru通过做功法且考虑表面效应计算热弹性阻尼模型,在此基础上本文采用做功法推导了考虑表面效应时纵向振动的热弹性阻尼计算模型。
【学位单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.1
【部分图文】：

科学与技术已经度过了 30 余年的发展历程，自 1974 年科学家Taniguchi）首次使用纳米技术一次形容精密机械加工以来，世对纳米技术发展的研发投入，包括美国 2014 年全球市场纳米到 229 亿美元，相比前一年增长了 30 多亿美元（王开发，20际纳米科学与技术发展的重要推动力量，据 2017 年统计，中论文量已经超过了全球的三分之一，纳米技术被列入促进国家键问题的技术领域，在能源和生物医药等领域尤其受到重视。纳米结构元器件相比宏观材料有其特有的物理、机械、电导性应用于微/纳米传感器等许多工业和科研领域，例如智能手机仪作为传感器安装在智能手机当中，利用质点振动因载体受外的科氏惯性力来确定载体的角速度，利用这个特点消除拍照时水平面的功能以及记录行走步数的功能等（刘延柱，2017）。

Shashi Kant （ Shashi Kant ， 2017 ）对比了四种经典的热弹性理论模型（Green-Naghdi-I 模型、Green-Naghdi-II 模型、dual phase-lag model、Green-Lindsay模型）采用最基本的控制方程。如 Tzou（Tzou，2015）引入了 Yu.A.Kirsanov（Yu.A.Kirsanov etc,2017）通过实验的方法对比了经典傅里叶热传导模型、Cattanneo-Vernotte(C-V 热传导模型)和双迟滞热传导模三种热传导模型的区别，发现实验结果和双迟滞模型计算的结果十分吻合，由此判断双迟滞模型更接近于实际情况。Asir 等（Asir Intisar Khan, 2017）通过分子动力学模拟的方法研究了六方氮化硼纳米带的热导率随温度的变化趋势，得到随着温度的增加，热导率在逐渐的下降。但微纳米材料的热导率变化趋势并没有严格的统一规律，比如 Li等人(Li,2003)通过实验发现硅纳米线的热导率有很高的尺寸依赖性和温度依赖性，而其中的温度依赖性却有着和前者文献结果相反的趋势，即随着温度的升高，热导率先是有着增长的趋势，之后才有下降。可见材料热导率的特性和材料的结构有很大的关联，不存在统一的变化趋势，

图 1-4 周期性边界条件示意图 （陈正隆，2007）体系义原子的方式定义模拟体系，原子定义的方式主要有三令或者 read_restart 命令从数据文件中读取原子；二是使用te_box、create_atoms 重新定义原子；第三就是通过 rep数定义了原子间相互作用力的大小，这些作用力正是不同材文件中势函数往往取得是其他学者的经验值，不同学者的值也不同，正确选择势函数对计算速度有很大的影响的是嵌入原子法（embedded atom method，EAM）势函数子间相互作用力会对其它的原子产生作用，是多体势函属的性质。
【参考文献】

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本文编号：2879445