纳米结构表面浸润性质的分子动力学研究

采用分子动力学方法研究了氩纳米液滴在铂金属及其模型固体表面的浸润现象 ,获得了液滴在平滑表面和三角纳米结构阵列表面的接触角和展布特性 .研究表明 ,液滴与壁面的势能作用较强时 ,液滴与纳米结构表面为均匀浸润 ,但是由于迟滞效应 ,接触角受表面纳米结构的影响不明显 ;势能作用较弱时 ,纳米结构间隙中存在类似蒸汽的低密度相 ,液滴与纳米结构表面为非均匀浸润 ,接触角受纳米结构的影响而增大 ;表面纳米结构可以使表面具有超疏水性 .

纳米通道滑移流动的分子动力学研究

本文采用非平衡分子动力学方法对纳米通道内的Couette流动进行了研究,计算获得了不同壁面和流体间势能作用强度下通道内流体的速度分布和密度分布,反映出可能存在的速度滑移、表观无滑移和负滑移现象,并探讨了速度滑移程度和壁面作用强度之间的关系。

SOI-MOS器件的自热效应仿真及产热机理研究

随着微电子器件日益微型化和高速化,自热效应已逐渐成为限制其性能提升的重要因素,深入理解纳米尺度器件产热机理对电子器件的设计和优化具有重要意义.针对绝缘体上硅金属-氧化物半导体场效应晶体管(SOIMOS)进行了电热仿真,基于漂移扩散模型详细计算和分析了焦耳热、重组热和帕尔贴-汤姆逊热的生成及其影响.计算结果显示,焦耳热在器件内是主要的功耗来源,主要分布在栅极下方的导电沟道处,最大值出现在漏极端.与此相比,重组热的量级极小,主要分布在沟道区和源漏结区,其对温度场和器件性能的影响较弱.帕尔贴-汤姆逊热与焦耳热的产热量级相当,会影响器件温度分布.然而,由于其在栅极下方存在独特的冷热源交替分布,加热效应和制冷效应得到了抵消,同时引起的温度变化集中在源漏电极下方,导致其对器件性能基本不产生影响.此外,帕尔贴-汤姆逊热的影响与边界条件有关,在基底散热时,忽略帕尔贴-汤姆逊热会导致温度场预测发生较大偏差,这对于评估器件的寿命和可靠性非常关键.

纳米Pt膜的晶粒尺寸及其对热导率的影响

采用电子束-物理气相沉积法(EB-PVD)制备了6个厚度为15-62 nm的铂薄膜,研究了纳米薄膜的晶粒尺寸及其对热导率的影响规律．当薄膜厚度小于30 nm时,晶粒平均尺寸接近于薄膜的厚度;晶粒尺寸随着薄膜厚度的增加而增大并趋于定值;当薄膜厚度大于30 nm时,晶粒尺寸约为20 nm．受薄膜的表面和内部晶界的综合影响,铂纳米薄膜的热导率大大低于体材料的值,并且纳米薄膜的热导率随着薄膜厚度的增加而增大并趋于一个低于体材料热导率的值．

热质的运动与传递——微尺度导热中的热质动能效应

基于热质(热量的当量动质量)的概念,通过建立和分析热质的运动方程得到了反映热质动能变化的稳态导热微分方程,表明:Fourier导热定律只有在热质的动能变化相对热质势能变化很小而可以忽略时才成立;在高热流密度和低温的情况下热质的动能变化不可忽略,这种动能效应表现为热流密度和温度梯度不再成线性关系。动能效应也导致 Fourier导热定律不能通过热流和温度梯度准确地获得物体的导热系数,本文基于热质运动方程给出了导热系数动能效应的修正式。最后针对高热流密度和低温一维稳态导热进行了分子动力学模拟验证。

粗糙微通道内气体流动的分子动力学研究

为研究粗糙度对微通道内气体流动及其边界滑移性质的影响,采用分子动力学模拟方法研究了氩气在0.1 μm铂通道内的流动,通道表面粗糙度由三角粗糙元阵列构成。气体流动的边界条件决定于2个准则数: A/λ和Kn=λ/L(其中A为壁面粗糙度、λ为气体分子的平均自由程、L为流动系统的尺度)。Maxwell基于Kn的滑移模型当A/λ<0.25时适用;A/λ<1时,气体流动存在边界速度滑移,体现出稀薄效应,A/λ≈1时为无滑移,A/λ>1时为等效负滑移.

纳米变截面结构的导热性质

采用分子动力学方法模拟了固态氩的纳米变截面结构的导热性质,研究发现纳米变截面材料的热阻和热流的大小与方向都相关:当纳米结构沿热流的方向为渐缩时,纳米结构的热阻随热流的增加而增大,而当纳米结构沿热流的方向为渐扩时,纳米结构的热阻随热流的增加呈减小的趋势;当热流较大时,热流沿渐缩方向时的热阻明显大于热流沿渐扩方向时的热阻,但当热流较小时纳米变截面结构的热阻和热流方向的关系不大.最后依据热质的运动和传递理论的动能效应对该现象进行了分析解释。

热智能材料及其在空间热控中的应用

空间技术等高新领域对智能高效的热控制技术的需求日益提高,而实现智能热控制技术的关键是要实现材料的热物性智能调控,于是热导率可响应外场变化的热智能材料成为了研究的焦点.本文梳理了热智能材料的最新研究进展,从调控机理、调控幅度、应用价值等角度出发,介绍了纳米颗粒悬浮液、相变材料、软物质材料、受电化学调控的层状材料和受特定外场调控的材料等不同种类热智能材料的研究现状,以及以热智能材料为基础的智能热控部件在空间技术等领域的应用.最后,本文对热智能材料未来的研究方向进行了探讨.

一种模拟热导率的非平衡分子动力学方法

提出一种计算热导率的非平衡分子动力学(NEMD)方法,通过构造均匀内热源获得抛物线形温度分布,并基于Fourier导热定律计算热导率,与Müller-Plathe发展的反扰动非平衡分子动力学(RNEMD)方法相比,不仅具有能量动量守恒和收敛性好的优点,还克服了常规NEMD方法中热冷源区域存在局域热力学非平衡的问题,并有模拟系统温差影响小的特点.对液态氩的热导率进行模拟并与RNEMD方法的模拟结果进行对比.

金纳米薄膜面向导热系数的实验研究

基于电子束-物理气相沉积法制备纳米薄膜的悬浮工艺,采用一维稳态恒热流加热法实验测量了80—300K厚度为23nm金薄膜的面向导热系数．研究表明金纳米薄膜的面向导热系数有非常显著的尺寸效应：金纳米薄膜的面向导热系数大大低于体材料的值,并且导热系数随温度的升高而增大,这一趋势与体材料导热系数的温度依赖性相反；同时,金纳米薄膜的Lorenz数大约为体材料值的3倍,并且随着温度的升高有减小的趋势,表明Wiedemann-Franz定律对于金纳米薄膜不再适用．

基于热质理论的热波传递现象研究

基于热质的概念应用牛顿力学原理建立了热质输运的控制方程,推导得到了普适的导热定律。在惯性力可以忽略时它即退化为傅立叶导热定律,反映出非傅立叶导热现象的本质是热质的惯性引起的。当热流和温度对空间的惯性以及温度对时间的惯性可以忽略时,所得到的导热定律可以退化为CV模型。对热波传递的数值分析表明:当热扰动和热流都比较小时,热流在空间加速的惯性可以忽略,基于热质理论的热波方程和CV模型符合得很好;但是,在描述较大的热扰动时,由于热流的空间加速惯性不能够被忽略,CV模型的结果在两个温度波峰叠加时会出现负温度的非物理现象,而基于热质理论的普适导热定律的结果则克服了这一缺陷。

振动管外流动与传热实验研究及场协同分析

采用实验与数值模拟相结合的方法研究了振动管外的流动及传热特性,利用正交设计方法分析了振幅、频率等参数对换热性能的影响,得到了低频区内换热效果与振动参数间的拟合关联式,并基于场协同理论得到了管外近壁区的协同角余弦值随频率、振幅的变化规律。通过分析发现:振动强化传热的效果随着频率和振幅的升高而显著增强,共振工况下换热最强。对比不同管型的换热性能,沿椭圆管短轴方向振动的传热效果最好,圆管次之,长轴最差,证明管型也为影响振动工况下对流换热性能的重要参数。

低频振动管外流动与传热特性研究

采用数值模拟与实验相结合的方法,研究了低频振动管外的流动与传热特性,分析了不同参数对换热性能的影响。数值计算结果的场协同理论分析与实验表明:振动有利于强化传热,且其强化传热的效果随着振动频率与振幅升高而增强。在半周期内,时相位为90°时管外的换热性能最好,在一定范围内协同角余弦值随振动频率的变化与振幅基本无关。对比不同管型,沿椭圆管短轴方向振动的协同角余弦值最高,传热效果最好。

直流电场下水中石墨烯定向行为研究

纳米颗粒在液体环境中的定向控制与系统物理性能的调控及新型纳米器件的制备等应用领域密切相关.本文使用分子动力学模拟方法,研究了水中单片不带电矩形石墨烯在直流电场下的定向行为.结果发现石墨烯平面趋向平行于电场方向且随着电场强度增大定向性增强,其主要原因在于极性水分子在电场下的响应以及水合作用;减小石墨烯长宽比,石墨烯法向矢量和长边矢量的定向性减弱,定量结果表明法向和长边定向度分别与绕长边和法向的转动扩散系数存在负相关关系.

碳纳米管热导率的分子动力学研究

采用非平衡分子动力学方法研究了室温下(5,5)碳纳米管的热导率。当管长从6 nm增加到4μm时,其热导率从30 W/(m·K)增加为1000 W/(m·K)。当碳纳米管长度小于40 nm时,热导率与长度呈线性关系,此时导热处于弹道输运阶段。随着管长的增加,热导率和长度成幂指数关系,但幂指数逐渐减小并趋向于0,表明声子从以弹道输运为主向以扩散输运为主的机制转变。

稳态导热中的非傅立叶效应

基于热质与热质势的概念,研究了稳态条件下的导热规律。结果表明：热量在输运过程中受到来自热质势场的驱动力以及来自介质的阻力,当两者平衡时,热量的输运规律满足傅立叶导热定律；当惯性力不能被忽略从而两者不平衡时,热量将被加速,热流密度和温度梯度之间的线性关系不再成立,表现出明显的非傅立叶效应。用数值模拟定量地研究了非傅立叶效应对稳态导热过程的影响。

热质的运动与传递-热子气状态方程

基于相对论原理,提出能量的运动可以产生压强．在热质概念的基础上,针对理想气体,根据分子动理论建立了热子气状态方程,从而得到理想气体分子的热运动动能压强的表达式．基于硬球势能模型通过分子动力学模拟验证了热子气状态方程的正确性．

热质

热是介质分子无规运动的能量。按爱因斯坦的质能关系式可求得热能所当量的质量,称为热质。从参量热流密度中可导出热质速度,建立了声子气(热质气)的状态方程后可求得热质运动的驱动力。鉴于热量在介质中传递本质上是热质在介质中的运动,所以基于热质守恒与热质动量守恒的热质运动方程,能普适地描述热量传递过程,因此它就是普适导热定律。当热流密度不是很大时,普适导热定律退化为傅里叶导热定律;当瞬态热流很大但忽略空间惯性力时,普适导热定律退化为CV(Cattaneo-Vernotte,CV)模型;而当稳态热流密度很大时,普适导热定律退化为有空间惯性力项的稳态导热定律,它表明稳态导热情况下也会出现非傅里叶导热。

金纳米薄膜导电和导热性质的实验研究

由于尺寸效应和晶界效应的影响,纳米薄膜在导电和导热方面呈现出与体材料不同的性质。本文实验研究了不同厚度(20～54 nm)金薄膜在不同温度(100～340 K)的导电、导热性质。测量结果显示,薄膜的电导率和热导率比体材料小,洛伦兹数比体材料大,Wiedemann-Franz定律不再成立。随着厚度增加,薄膜的电导率,热导率和电阻温度系数都增加。薄膜热导率随温度变化趋势与体材料相反,随着温度升高而升高。电导率随温度变化趋势与体材料相同,随着温度升高而降低;但薄膜没有体材料对温度变化敏感,导致电阻温度系数下降。

热导率的平衡分子动力学模拟中的热流计算

在热导率的平衡分子动力学模拟中,针对Lennard-Joness势、Stillinger-Weber势和Tersoff势三种势能模型,给出一个形式简洁的统一热流计算式.通过与文献中的式子进行对比,发现提出的热流计算式与文献中的一些计算式是等价的,而有些式子存在错误.此外,针对热流计算中的势能分配问题,分析均分法和独享法两种势能分配方法对计算结果的影响.结果表明:两体势的分配最大可导致计算的热导率10%的变化,而三体势的分配方式对热导率计算结果的影响可以忽略.独享法得到的热流自相关函数波动大、收敛慢、数值噪声较大,导致热导率计算结果精度的降低,而均分法不存在这些问题.