碳纳米管接触热特性的分子动力学模拟

发布时间：2017-10-19 17:38

  本文关键词：碳纳米管接触热特性的分子动力学模拟

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【摘要】：如今,电子器件尺寸不断减小,热流密度急剧上升；同时,电子器件和散热器接触时存在的一些缝隙或孔洞,严重阻碍了热量从电子器件到散热器的传输,使得电子器件和电子设备的工作寿命和工作效率大幅降低。因此,提高电子设备的散热水平成为制约电子行业发展的重要因素。针对上述问题,专家们提出了热界面材料的概念,通过采用将其填充到缝隙中的方式来降低热阻,提高热传输效率。近些年,碳纳米管因为其具有非常高的轴向热导率和良好的柔韧性成为备受追捧的热界面材料。若想提高电子器件到散热器之间的传热效率,不仅需要界面材料本身具有高的热传导性,还需要降低电子器件和热界面材料、热界面材料和散热器接触时形成的界面热阻。本文采用分子动力学方法模拟了碳纳米管-硅和碳纳米管-铜的界面热特性。这些特性将对未来微电子器件的散热设计提供一定的参考价值。在单壁碳纳米管-硅和单壁纳米管-铜界面热特性的模拟中,主要考虑了温度、界面原子间作用力、碳纳米管管径、热整流效应这四个因素。经过计算,得出了以下四个规律： (1)界面热导随着温度升高而增大,产生这种现象的原因是由于温度升高,更多的声子被激发,促进了热量的传输。后者在550K时出现峰值,以后略有下降。(2)界面热导随着界面原子间作用力的增强而增大,近界面处的原子会随着作用力的增强而振动加剧,声子耦合度变好,热传输水平得到提高。 (3)管径的变化对界面热导同样存在很大的影响,增大碳纳米管管径,界面处相互作用的原子数增多,热传输途径变多,界面热导增大。 (4)交换冷热端后,界面热导的数值明显发生了变化,在单壁碳纳米管-硅的模型中,碳纳米管作为热端比作为冷端时界面热导大5.5%-22%；在单壁碳纳米管-铜的模型中,碳纳米管作为热端比作为冷端时,界面热导大3%-10%。这说明界面热传输中存在热整流效应,且从数值上看,单壁碳纳米管-硅受影响更大,两者都随着温度升高整流效应影响减弱。在多壁碳纳米管-硅和多壁纳米管-铜界面热特性的模拟中,考虑了温度、管壁数目以及原子间作用力三个因素。得到了以下规律： (1)温度依赖性模拟是以三层碳纳米管管壁为例,所得结论与单壁碳纳米管相同,界面热导随温度的升高而增大,且在相同温度下,碳纳米管-硅的界面热导明显大于碳纳米管-铜的界面热导。(2)界面热导随管壁数的增大而减小。(3)作用力依赖性的模拟主要包括两个方面,一方面是调整碳原子与硅/铜原子之间的作用力,经过计算发现界面热导随着界面两侧原子间作用力的增大而线性增大；另一方面是改变处在不同层的碳原子间的作用力,发现界面热导并没有发生变化,可见不同层碳原子间的作用力对轴向方向的热传输并没有直接作用。
【关键词】：碳纳米管 分子动力学 界面热导
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN60;TK124
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-16
• 1.1 课题背景10-11
• 1.2 碳纳米管介绍11-13
• 1.2.1 碳纳米管的结构11-12
• 1.2.2 碳纳米管的性质12-13
• 1.3 研究现状13-15
• 1.4 本文的主要内容及章节安排15-16
• 2 分子动力学模拟相关内容16-28
• 2.1 热输运相关概念16-17
• 2.2 分子动力学概述17-18
• 2.3 分子动力学模拟的步骤18-20
• 2.4 分子动力学相关软件20-21
• 2.5 分子动力学模拟中系统平衡控制21-23
• 2.5.0 系综控制21
• 2.5.1 温度控制21-22
• 2.5.2 压强控制22-23
• 2.6 势函数选取23-26
• 2.7 热导率的分子动力学模拟26-28
• 2.7.1 平衡分子动力学模拟(EMD)26-27
• 2.7.2 非平衡分子动力学模拟(NEMD)27-28
• 3 单壁碳纳米管-硅界面热特性的模拟研究28-38
• 3.1 模型构建与模拟过程28-30
• 3.1.1 界面模型28-29
• 3.1.2 势函数29
• 3.1.3 模拟过程29-30
• 3.2 模拟结果与分析30-36
• 3.2.1 温度对界面热导的影响30-32
• 3.2.2 作用力大小对界面热导的影响32-34
• 3.2.3 热整流效应34-35
• 3.2.4 碳纳米管管径对界面热导的影响35-36
• 3.3 小结36-38
• 4 单壁碳纳米管-铜的界面热特性的模拟研究38-47
• 4.1 模型构建和模拟过程38-39
• 4.1.1 界面模型38
• 4.1.2 势函数38-39
• 4.1.3 模拟过程39
• 4.2 模拟结果与分析39-46
• 4.2.1 温度对界面热导的影响39-42
• 4.2.2 作用力对界面热导的影响42-43
• 4.2.3 热整流效应43-45
• 4.2.4 碳纳米管管径对界面热导的影响45-46
• 4.3 小结46-47
• 5 多壁碳纳米管界面热特性的模拟研究47-57
• 5.1 模型构建和模拟过程47-48
• 5.1.1 界面模型47-48
• 5.1.2 势函数48
• 5.1.3 模拟过程48
• 5.2 模拟结果与分析48-55
• 5.2.1 温度对界面热导的影响48-52
• 5.2.2 碳纳米管管壁数对界面热导的影响52-53
• 5.2.3 作用力对界面热导的影响53-55
• 5.3 小结55-57
• 结论57-59
• 参考文献59-62
• 致谢62-63

【参考文献】

中国重要会议论文全文数据库 前1条

1 杨邦朝;陈文媛;曾理;胡永达;;热界面材料的特性及其应用[A];中国电子学会第十四届电子元件学术年会论文集[C];2006年

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本文编号：1062422