聚合物热量输运与调控机制的分子动力学研究

发布时间：2020-07-06 22:57

【摘要】：面对严峻的能源格局和环境形势,发展节能减排技术对我国实现可持续发展战略至关重要。研发低能耗、低排放、低成本的新型导热材料,不仅能替代高能耗、高排放、高成本的传统材料,减小传统材料的市场规模,促进产业升级,而且能提高传热效率,进而提高能源利用率。聚合物材料性能优异、清洁环保,高导热聚合物的研究能够使其未来应用于广阔的传热领域,对于我国实现节能减排目标有着重要战略意义。本文首先介绍了聚合物导热研究中声子输运理论的重要性,阐明了分子动力学模拟方法研究聚合物导热性质及机理的优势,并简要介绍了声子输运理论中与聚合物相关的重要概念,以及使用分子动力学方法研究聚合物导热问题的重要概念和计算方法。声子输运理论与分子动力学模拟相结合,为研究聚合物及其复合材料内导热过程及机理提供了有效手段。对于高导热聚合物基复合材料,本文提出了一种单壁碳纳米管(SWCNT)/聚乙烯(PE)定向复合结构,研究了PE链数对定向复合结构及其导热性能的影响,评价了SWCNT和PE链的导热贡献,分析了定向复合结构中PE链导热性能的变化。结果表明,定向复合结构的导热性能得到了显著提升。PE链对整体导热性能的平均贡献率达到了~30%,SWCNT与PE链的非键相互作用使PE链导热性能平均提升了23%左右,其导热性能的提升对整体性能的增强非常关键。其次,本文发现了SWCNT中PE分子的质量输运现象,分析了该现象的形成机理,使用了简化SWCNT研究了PE分子自迁移现象与多个参数之间的关系,并提出了一种SWCNT-PE纳米热管。结果表明,温度、PE分子长度和势阱深度能够显著影响PE分子的自迁移行为。在工作温度500K时,封装密度为7×10~(13) cm~(-2)的SWCNT-PE纳米热管阵列,换热系数可达到450 WK~(-1)cm~(-2),具有应用于纳米尺度热管理和界面传热的潜力。该研究丰富了自迁移现象的质量输运理论,有利于纳米尺度热量和质量输运器件的设计。最后,本文提出了使用分叉树枝构建聚合物复合材料中的高导热通道,分别使用PE和PA链构建了分叉树枝结构,并模拟了PE/PA-CNT微观界面热导以及它们复合材料的导热系数。结果表明,PE/PA-CNT树形结构将原始CNT的作用范围扩大了25倍,而且在其作用范围内,界面热导也得到了显著提高,高导热通道能够提升和完善导热网链的完整性和高效性。然后研究了PE/PA-CNT在PE基体中的性能,发现复合材料导热系数得到了明显提高,分叉树枝构建的高导热通道能够调控复合材料中的热量输运,重新分布体系温度场,提升填充粒子之间的微观界面输运性能,该研究有助于制造具有高导热通道的聚合物复合材料。对于本征型高导热聚合物材料,本文研究了聚乙烯单链的导热系数与温度、应变的关系,然后使用原子质量修饰模型模拟了官能团对碳链聚合物单链导热性能的影响,并且使用声子频谱揭示了以上因素与导热性能之间的内在联系。结果表明,PE单链的导热性能随着温度升高而降低,拉伸应变会显著增强导热性能。对碳链聚合物单链导热系数的研究表明,原子质量修饰会改变主链上碳原子的声子频谱,从而显著影响碳链上的热量输运。此外,本文使用PVA和PP对比研究了拉伸作用和氢键作用对聚合物结构和导热的影响。结果表明,在不拉伸状态下,氢键聚合物材料PVA的导热性能远高于非氢键聚合物材料PP。氢键使得PVA在拉伸作用下具有更好的定向效果,在拉伸状态下,PVA纳米纤维的导热系数增长量要明显高于PP。在氢键和拉伸共同作用下,PVA纳米纤维的导热系数达到了PP纳米纤维的3~4倍,体现了拉伸作用和氢键作用对聚合物导热增强的协同作用。对聚合物复合材料,本文分别从填充物与基体取向性的耦合作用关系、填充物之间界面等方面展开工作;对于本征型聚合物材料,本文分别从官能团对单链导热性能的影响、拉伸和氢键作用对导热增强的协同作用方面展开工作。研究结果体现了一般性的研究思路,对高导热聚合物材料的研究具有积极意义。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O631.2
【图文】：

全球能源

图 1-1 1900-2000 年全球能源消耗[3]用于能源、化工、电力、冶金、医药和食品等行质和热交换过程的工艺和设备所占的比重超过 9作为重要过程的设备，各式各样的换热器在各行来越大的作用。一般情况下，特别是在压力和温度换热器。传统金属材质换热器在余热回收、迅速泛，但由于不耐腐蚀、易结垢、不易成型、质量到限制，如化工生产和废水处理中使用的热交换的冷却器等。此外，钢铁行业作为高能源消耗、占全球产量的 36.4%，而碳排放量却占全球碳排排所面临的压力非常大[4]。为实现冶金行业的节新的冶金工业和节能减排技术，研发生产过程低也是实现节能减排的关键一环。

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华中科技大学博士学位论文阻占主导的应用场合，由于优良的抗腐蚀性和低廉的制造成本，聚合物换热器比金属换热器具有更好的经济效益。另外，相较于钢铁行业，由于聚合物材料生产过程中较低的能源消耗、较低的大气排放量，大规模地使用聚合物制造换热设备可有效地减少钢铁的使用量，进而降低钢铁行业的能源消耗和碳排放，可促进我国节能减排目标的实现。

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3图 1-3 使用不同材料制造的一种海水/甲烷平行板换热器的性能系数[5]，随着信息技术的发展，电子器件向高度集成化、小型化发展，电速增加，而且尺寸的减小使得封装结构更为紧密，有效地组织结构产生的热量若因散热差而聚集，仪器设备的性能稳定性将受到严重“10℃法则”指出，电子器件工作温度每升高 10℃，其失效率将升另外，统计表明散热不良所致的电子产品失效达到了 55%[6]，所以高

【参考文献】