石墨烯及其衍生結構熱輸運性能及熱管理模式的研究

《石墨烯及其衍生結構熱輸運性能及熱管理模式的研究》是依託大連理工大學,由高宇飛擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：石墨烯及其衍生結構熱輸運性能及熱管理模式的研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：高宇飛

項目摘要

石墨烯是目前最受關注的納米材料，具有優異的熱輸運性能，而其衍生結構石墨炔的熱導率卻顯著地低於石墨烯，當兩者相結合形成複合結構時，其熱輸運性能與石墨烯相比有明顯的變化，因此，研究石墨烯基材料的熱輸運性能顯得日趨迫切。其中核心問題是探明材料中成鍵結構、接觸界面（異質結）形貌和諸多缺陷對模型熱輸運性能的影響機理以及納米材料力學性能與熱學性能之間的關係。因此，需用非平衡格林函式方法來分析模型的電子熱輸運過程；套用第一性原理搭建合理的異質結構型；構建第一性原理與分子動力學結合的多尺度耦合算法；實現聲子理論與分子模擬方法相結合。進而獲得石墨烯、石墨炔中多種雜化對模型電子和聲子輸運的影響機理、石墨烯/石墨炔異質結對模型熱輸運性能的影響以及納米材料熱、力性能的內在聯繫。最終基於上述結果提出一套針對石墨烯和石墨炔納米材料的有效的熱管理模式。

結題摘要

石墨炔的出現可克服石墨烯在電學領域的限制，擴展碳基納米材料在熱電領域的套用。尤其當兩者形成異質結結構時，除優異的熱電屬性外，結構中的聲子和電子輸運往往還具有較好的可調節性。基於此，本課題主要以石墨炔為研究對象，搭建了穩定的石墨烯/石墨炔異質結，並構建了基於晶格動力學的多種聲子計算方法。結合上述方法和模型，我們發現了缺陷分布對二維碳基納米材料熱導率有效的調節作用以及（14,14,14）型石墨炔顯著的各向異性及其納米管結構依賴於直徑的各向異性。此外，還發現了異質結結構可將碳基納米材料轉變為熱電材料這一現象並分析了其機理。進一步，研究了比異質結更具普遍意義的多晶化現象，發現多晶化是一種可極其有效提升熱電屬性的手段，其甚至可以將矽基納米材料這種熱電性能極弱的材料轉變為熱電材料，我們還在此基礎上探討了多晶化的影響機理。最後，研究了新型籠子結構這種具有優異可調節物理屬性材料的熱輸運和熱電性能。本課題的研究提出了多種可顯著且有效調控碳基納米材料傳熱屬性以及最佳化其熱電性能的手段，對提升碳基納米材料在傳熱、熱電和力學領域中的套用潛力有著積極的意義。