石墨烯热学性能非简谐效应的研究进展

发布时间：2021-09-24 07:37

　　石墨烯性能优异,应用前景广阔,是当今国际科技研究前沿之一。目前已有不少文献对石墨烯进行了研究,但对其热力学性质的研究还不深入和系统,尤其是对其非简谐特征的研究很少。深入和系统地研究石墨烯热力学性能的非简谐效应,确定它的热膨胀和热容量以及热导率随温度的变化规律,是目前的首要任务。石墨烯的热膨胀、蓄热和导热性是非简谐效应最明显的性能,在超薄型高蓄热材料及可调节热管理系统等中有广泛应用。如何从实验和理论方面来确定这些性能随温度的变化规律,目前尚未得到解决。从理论上确定石墨烯热膨胀系数、热容量以及热导率随温度的变化规律并探讨出其非简谐效应,是当今研究的焦点。本文提出了研究固体材料性质变化规律的非简谐效应理论方法,即通过严密的数学推导和数理论证来确定材料性质随温度的变化规律。为了确定石墨烯热膨胀系数、热容量以及热导率随温度的变化规律,需建立合理的物理模型,确定石墨烯的特性函数自由能。本文在石墨烯热膨胀、热容量和热导率的研究基础上,用固体物理理论,得到石墨烯低温热膨胀系数和热容量以及热导率随温度变化规律的解析式,计算并分析这些热力学量随温度变化的特点,探讨了原子非简谐振动对它们的影响,并与实验和其... 

【文章来源】：材料导报. 2020,34(09)北大核心EICSCD

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

(a)石墨烯的热容量和(b)两种情况的热容量的差随温度的变化

石墨烯热膨胀系数随温度的变化

式中:μ为石墨烯的摩尔质量,η是与固体材料有关的参数,取值在2～3之间,l0是待定参量,v为平均声速。按文献[8]取值, η=2、l0=2.593×10-4 m、v=16.939 8 km·s-1。由式(11)得到石墨烯的热导率随温度的变化如图3a所示。图3a中线0、1和线2的含义同图1b。为了反映非简谐效应与温度的关系,图3b为同时考虑第一、二非简谐项与只考虑第一非简谐项时的热导率的差(ΔK=Kva-Kv1)随温度的变化。由图3看出:(1)石墨烯热导率较大,它随温度的升高呈非线性减小。温度不太高时,石墨烯的热导率减小得较快,当T>1 000 K后,热导率则减小得较慢。(2)非简谐效应造成的热导率的相对增大量(ΔK/K=(Kva-Kv0)/K)随着温度升高而增大,即:温度愈高,非简谐效应愈显著。如T=400 K时,ΔK/K≈0.667%;T=1 000 K时,ΔK/K≈0.75%。非简谐项对石墨烯热导率的影响在0.5%～0.8%之间,尤其是第二非简谐项的贡献不能忽略。(3)本文采用非简谐效应理论的研究方法,不仅给出了石墨烯热导率随温度变化的解析式,而且计算结果与文献[36]的实验结果较接近,如T=300 K时,本实验计算的热导率值与实验值4 840 W·m-1·K-1相比较,误差为4.11%;而文献[29]采用价力场方法计算的热导率值和文献[37]采用非平衡动力学模拟与用Brenner势计算的热导率值误差分别为40%和 30%以上。

【参考文献】：
期刊论文
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本文编号：3407366