有机相变材料填充碳纳米管的实验与分子动力学模拟

发布时间：2017-03-30 22:05

  本文关键词：有机相变材料填充碳纳米管的实验与分子动力学模拟，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着科技的不断进步,功能性、复杂性以及集成性逐渐增长的微电子、光电子、放射类等精密设备和计算机设备都在不断小型化。这些设备中温度的稳定控制和管理对其性能和精密度的维持有很关键的作用,微电子设备中一半以上的失效事件都是因为热量的原因。由相变材料(Phase change material,PCM)填充入碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)管内形成的复合材料,有望作为一种散热填充物缓解这一问题。本论文采用实验与模拟相结合的方法,对有机相变材料在CNTs管内的结构和性质进行了研究。在实验上进行了有机相变材料填充CNTs的制备及相关性质的测试;在模拟上,从微观角度分析了石蜡类PCM在CNTs管内的结构分布、相变和扩散性质,在验证了实验结果的同时,进一步分析了CNTs螺旋性和烷烃分子填充量对体系扩散性质的影响。主要研究内容和结论如下:1、成功将石蜡、月桂酸和硬脂酸三种有机相变材料填充到CNTs管内,制备了具有储热功能的复合相变材料。由于CNTs的纳米受限空间作用,其熔化温度均低于纯相变材料,分别降低了5.01、3.61和2.85 oC。根据测试得到的相变焓,计算管内石蜡、月桂酸和硬脂酸的体积填充度分别为:26.27%、10.02%和31.9%。2、设计了一个简易的热界面装置,对石蜡填充CNTs材料在电子设备热管理中的应用能力进行了测试。发现在传热界面涂抹导热界面材料可以达到降低两侧温差的目的。未涂抹导热界面材料二甲基硅油时,两侧温差为4.7 oC,而分别涂抹二甲基硅油、未经酸处理的CNTs/二甲基硅油、酸处理的CNTs/二甲基硅油、石蜡填充的CNTs/二甲基硅油时,其两侧温差分别为3.8、3.1、3.1、2.2 oC,说明将石蜡填充的CNTs作为二甲基硅油中的散热填充物具有更好的散热效果。3、采用分子动力学方法,对比研究了正二十六烷烃体系在自由态和受限条件下的结构和扩散特性。发现烷烃分子在CNTs管内呈现有序的环状分布,管内烷烃分子的有序度高于自由态,且管内填充体系的熔点较纯烷烃体系降低了4.1 oC,验证了实验结果。高有序性、CNTs对烷烃分子的空间受限作用是导致其熔点降低的重要原因。4、分析了CNTs螺旋性和正二十六烷烃填充量对体系结构和扩散性质的影响。CNTs的螺旋性对管内烷烃分子的分布、结构和有序度影响不大,但扶手椅型CNTs对烷烃分子的束缚相对更强。填充量会影响烷烃分子在管内的结构、有序度和扩散性质,填充数目增加会在管内形成多层环状结构。
【关键词】：有机相变材料 碳纳米管 填充 分子动力学
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB34;TQ127.11
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 研究背景及意义10
• 1.2 相变蓄热材料10-18
• 1.2.1 相变蓄热技术10-12
• 1.2.2 相变蓄热材料的分类12-14
• 1.2.3 复合相变蓄热材料14-16
• 1.2.4 相变蓄热材料的应用16-18
• 1.3 碳纳米管管内填充材料18-20
• 1.4 分子动力学模拟20-21
• 1.4.1 分子动力学模拟简述20
• 1.4.2 分子动力学模拟的应用20-21
• 1.5 研究目的及主要内容21-22
• 1.5.1 研究目的21
• 1.5.2 研究内容21-22
• 第二章 分子动力学模拟理论基础22-30
• 2.1 分子动力学模拟理论基础22-27
• 2.1.1 基本理论22-23
• 2.1.2 力场23-25
• 2.1.3 周期性边界条件25
• 2.1.4 系综25-26
• 2.1.5 控制温度和压力的方法26-27
• 2.2 涉及到的参数27-30
• 2.2.1 自扩散系数27
• 2.2.2 径向分布函数27-28
• 2.2.3 末端距与扭转角28
• 2.2.4 全局取向有序参数28-30
• 第三章 有机相变材料填充碳纳米管的制备与性能表征30-41
• 3.1 有机相变材料填充碳纳米管的制备30-31
• 3.1.1 实验材料30
• 3.1.2 碳纳米管管内填充材料制备步骤30-31
• 3.2 性能分析表征31-33
• 3.2.1 透射电镜测试31-32
• 3.2.2 红外吸收光谱分析32
• 3.2.3 差示扫描量热测试32
• 3.2.4 热界面性能测试32-33
• 3.3 结果与讨论33-40
• 3.3.1 碳纳米管的酸处理33-34
• 3.3.2 石蜡填充碳纳米管34-37
• 3.3.3 月桂酸和硬脂酸填充碳纳米管37-38
• 3.3.4 界面传热分析38-40
• 3.4 小结40-41
• 第四章 有机相变材料填充碳纳米管扩散行为的分子动力学模拟41-53
• 4.1 正二十六烷烃体系升降温过程的分子动力学模拟41-46
• 4.1.1 模型和方法41-43
• 4.1.2 升降温过程微观结构变化43-44
• 4.1.3 全局取向有序系数随温度的变化44-45
• 4.1.4 自扩散系数随温度的变化45-46
• 4.2 正二十六烷烃填充碳纳米管体系升降温过程的分子动力学模拟46-51
• 4.2.1 模型和方法46-48
• 4.2.2 升降温过程微观结构的变化48-50
• 4.2.3 全局取向有序系数随温度的变化50-51
• 4.2.4 自扩散系数随温度的变化51
• 4.3 小结51-53
• 第五章 碳纳米管螺旋性和烷烃分子填充量对体系扩散的影响53-66
• 5.1 碳纳米管螺旋性对体系扩散性质的影响53-57
• 5.1.1 模型和方法53-54
• 5.1.2 螺旋性对微观结构的影响54-56
• 5.1.3 螺旋性对于全局取向有序度参数的影响56-57
• 5.1.4 螺旋性对扩散性能的影响57
• 5.2 烷烃分子填充量对体系扩散的影响57-64
• 5.2.1 模型和方法57-60
• 5.2.2 烷烃分子填充量对微观结构的影响60-62
• 5.2.3 烷烃分子填充量对全局取向有序性参数的影响62-63
• 5.2.4 烷烃分子填充量对自扩散系数的影响63-64
• 5.3 小结64-66
• 结论与展望66-67
• 参考文献67-73
• 致谢73-74
• 附录A 攻读学位期间发表论文目录74

  本文关键词：有机相变材料填充碳纳米管的实验与分子动力学模拟，由笔耕文化传播整理发布。

，

本文编号：278175