柱状纳米结构材料热整流特性研究

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热整流器在热控制、信息处理和能量转换等方面有着巨大的应用潜力和广泛的应用前景。许多实验和理论研究证明热整流效应存在于两种材料组成的复合结构、形状不对称结构、相变材料中,或者通过控制缺陷和分级掺杂等手段来实现热流整流效应。尽管许多结构的热整流特性已被研究,但目前已研究的纳米结构的热整流系数仍相对较低,并且通过在热传导方向施加轴向应变、通过改变柱状纳米结构中纳米管手性或通过采用双层分子结的方法能否提高柱状纳米结构材料的热整流性能还没有被研究过。探索具有更加优秀热整流性能的纳米结构,设计出更高效率的热整流器,这对于早日实现用于热控和信息处理的“热计算机”具有重大意义。本文采用分子动力学方法对石墨烯-氮化硼纳米管分子结、GN-SWCNT(12,12)分子结及DGN-DWCNT分子结的热整流性能进行了研究,深入分析了所研究结构热整流效应的机理。主要的研究内容包括:(1)研究了尺寸参数(氮化硼纳米管管长、正方形石墨烯片边长)对石墨烯-氮化硼纳米管分子结的热整流特性的影响,发现其热整流特性具有明显的尺寸依赖性。在平均温度为300 K(Δ=±0.5)时,石墨烯-氮化硼纳米管分子结的热整流系数可达71.38%。(2)在优化尺寸参数下,研究了施加轴向拉伸应变对石墨烯-氮化硼纳米管分子结的热整流特性的影响,发现其热整流特性会随着应变的增加而显著变化,施加恰当的轴向拉伸应变会提高驻波的强度进而显著提高热整流系数。在应变为10%、平均温度为300 K(Δ=±0.5)时,石墨烯-氮化硼纳米管分子结的热整流系数能够提高到188.80%。(3)在300 K和200 K(Δ=±0.5)的温度下,GN-SWCNT(12,12)分子结的热整流系数最高分别可达到1487%和2586.4%,远高于之前研究过的GN-SWCNT(6,6)分子结的热整流系数。我们发现GN-SWCNT分子结的热整流系数可以通过改变GN-SWCNT分子结中碳纳米管的手性来进一步调节。(4)在平均温度为300 K时,DGN-DWCNT分子结在较高和较小的热偏差下都能够获得较高的热整流系数,即使热偏差|Δ|=0.1时,也可以实现高达300.6%的热整流系数。事实上,由于现实中有大量低级废热有待利用,在小温差下的高效热整流器相比较于高温差下的热整流器对实际应用更具有重要意义。
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