《納米異質填充基元對碳納米管熱特性的影響》是依託北京科技大學，由馮妍卉擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：納米異質填充基元對碳納米管熱特性的影響
- 依託單位：北京科技大學
- 項目負責人：馮妍卉
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
管內填充納米異質基元是實現碳管結構、物理、力學特性改進十分有效的手段。碳管生長、填充及細微結構的有效可控實施，有賴於揭示填充碳管局部存在和誘發的微細現象、能質傳遞規律及其對性能影響的深刻認識，從根本上實現微細觀控制，使新材料、新技術的潛力得以充分發揮，為各種納米原型器件研製提供有力支撐。本項目從碳管內填充納米異質基元（納米糰簇/顆粒、納米線）所形成的複合材料出發，利用原子層次和微細結構層次的模擬方法，進行基於物理基礎考慮的理性分析認識和揭示現象規律；探索有效實驗觀測，試圖從觀察和測試上直接的事實依據發現和驗證填充所引發的熱物理現象和基本規律，明晰碳管內基本輸運現象、填充原子凝聚擴散行為之間物理關聯，揭示電子-電子關聯，電子-聲子耦合及對複合材料局部和整體能質傳遞特性的影響，並嘗試架構碳管、納米基元的結構和物化特徵等與複合材料熱物性之間內在關係，為可能的實際套用提供熱設計原理及參數。
結題摘要
管內填充納米異質基元是實現碳納米管物理特性改進十分有效的手段。碳管填充及細微結構的有效可控實施，有賴於揭示填充碳管局部存在和誘發的微細現象、能質傳遞規律及其對性能影響的深刻認識，從根本上實現微細觀控制，為各種納米原器件研製提供有力支撐。本項目從碳管內填充納米異質基元 (C原子、C60分子、Au納米線)所形成的複合結構出發，利用分子動力學方法，模擬異質基元填充所引發的熱物理現象和聲子輸運變化；進一步開展聲子性質(態密度、模式參與率、模式權重因子、重疊能等)、局域熱流、異質基元運動傳質等分析，揭示複合材料的微觀導熱機理；同時考察了環境溫度及材料結構參數的影響，明晰了各因素的變化影響規律；並嘗試探索有效實驗，利用拉曼光譜測定單根空碳管熱導率，為理論結果開展對比驗證。 研究表明，C原子、C60分子、Au納米線的填充，給碳管熱傳導帶來不同的作用效果：(1)雙壁碳管內、外管間填加C原子，引起內層碳管低頻聲子模式衰減且權重因子增大，導致碳管熱導率降低約20%。(2)單壁碳管空腔中負載C60分子而構成的碳納米豆莢，其導熱性能遠優於空碳管，導熱性能的提升得益於兩方面：碳管與C60間的橫聲學波、徑向呼吸模在低頻區域內的“積極耦合”益於導熱；C60的旋轉和平移運動提高了質量傳遞對熱流的貢獻，促使熱導率進一步升高。(3)單壁碳管空腔中填充Au納米線而構成的電纜式複合體，Au納米線電子熱導率遠小於複合體聲子熱導率；Au納米線的填充引起碳管低頻聲子模式加強，使得複合體熱導率高出空碳管約20-45%。 不同填充基元對碳管熱導率與環境溫度、碳管結構參數間的依變關係影響不大，但異質基元填充率或填充方式對複合材料的熱輸運影響顯著：相較於沿管長方向填加C原子，集中在截面上填加C原子使得雙壁碳管熱導率下降更多，且下降速度更快；隨著C60填充率變大，碳豆莢熱導率先增大後減小，這是由碳豆莢中質量傳遞對熱流的貢獻以及碳管與C60間的聲子耦合，均隨填充率變大出現非單調性的變化引起的。由於Au-C相互作用比Au納米線質量傳遞作用更突出，納米電纜熱導率隨著Au納米線填充率的升高而單調增大。 實驗測得，在316-378 K溫度範圍內，長度22 μm，直徑1.34 nm的單壁空碳管熱導率變化範圍為1651-2423 W/m•K；隨著溫度升高，空碳管熱導率降低，與模擬結果變化趨勢一致，為理論模擬提供了一定的驗證依據。
