非平衡分子动力学模拟晶体薄膜热导率

利用非平衡分子动力学(NEMD)模拟方法计算了氩晶体薄膜的热导率.当薄膜厚度达到微纳米量级时,热传导过程产生非Fourier效应,计算热导率的Fourier公式已不再适用,故采用松弛时间近似的Catta-neo方程求解热导率.计算结果表明,当薄膜尺寸达到微纳米量级时,热导率是温度的非线性函数.

纳米狭缝中水流动非平衡分子动力学模拟

采用非平衡分子动力学模拟(non-equilibrium molecular dynamics simulation)方法研究了不同间距纳米狭缝之间水的流动行为。研究了纳米狭缝间距、壁面性质和外部压力对水流动速度径向分布、有效黏度、壁面速度和滑移长度的影响,讨论了Navier-Stoke(N-S)方程的适用性。研究结果表明,N-S方程仅适用于3 nm以上的孔道;狭缝尺寸的增加和施加压力的增加均会使得管内流速增加,而造成表观黏度降低以及滑移长度增加。壁面亲水性的增加仅使得滑移长度降低,表观黏度并没有发生较大变化。

液态Co物性的平衡及非平衡分子动力学模拟(英文)

本文采用EAM作用势,通过平衡分子动力学(EMD)模拟的方法计算了Co熔体的自扩散系数、剪切粘度等物理性质.同时采用非平衡分子动力学(NEMD)方法计算了Co的剪切粘度.研究表明有关传输性质的计算是可与实验比较的,能够反映出液态Co典型的动力学特性.

非平衡分子动力学法模拟计算SiC材料的热导率

为了探究更高效的碳化硅(SiC)材料热导率的模拟方法,应用逆非平衡分子动力学(rNEMD)法及传统非平衡分子动力学(NEMD)法对β晶型SiC(β-SiC)材料的热导率进行模拟计算和对比; 2种方法的模拟过程均先建立横截面尺度小而轴向尺度大的棒状模型,采用周期性边界条件、应用修正嵌入原子法(MEAM)势函数,先后进行正则系综(NVT)的弛豫和微正则系综(NVE)内的动态沿轴向生成温度梯度的过程,分别利用傅里叶定律模拟计算得到SiC材料的热导率。结果表明:2种方法的计算结果均出现热导率随生成温度梯度的材料轴向尺度增加而增大的有限尺度效应,应用倒数拟合的外推法可以计算模拟体系沿轴向为无穷大时的宏观体相β-SiC材料的热导率; r NEMD法具有较高的计算效率,更适合热导率的模拟计算。

非平衡分子动力学在炭膜气体分离CH_4/CO_2中的模拟研究

通过建立单孔狭缝模型,采用非平衡分子动力学方法研究CH_4/CO_2二元气体混合物通过管状炭膜的传递和分离特性,考察了系统温度、气体组成和膜孔径对通量的影响。模拟过程中将膜低势,区压力取为更符合实际情况的非零值(大于零)。研究结果表明,在温度为20℃～160℃范围内,随温度升高,CH_4的通量增加,CO_2的通量则先降低后升高(80℃出现最低值);随混合气中CH_4组成的增加,CO_2通量下降、CH_4通量升高;随膜孔径增大,CH_4通量先增后减(9.77 (?)时出现最大值)、CO_2通量则呈下降趋势。以上模拟结果与实验数据相比较,吻合良好。在此基础上,本文还考察了跨膜压差对过程的影响,发现CH_4和CO_2的通量均随跨膜压差的增大而增大,膜的分离性能则随之降低。本研究结果充分表明,所建模型能够正确地描述CH_4/CO_2气体混合物的炭膜分离过程。

纳米氩颗粒导热性能的非平衡分子动力学模拟

为了研究尺寸变化对纳米颗粒导热的影响，采用非平衡分子动力学模拟方法研究了固定原子壁面边界条件下，平均温度在45K、边长为3．186～12．744nm的立方形和半径为4．248～10．62nm的球形2种纳米Ar颗粒的热导率，并与其他研究者的结果及薄膜的模拟值进行了对比。模拟结果表明，在固壁边界条件下，2种颗粒的热导率均随着尺寸的增加而趋向块体值，但均小于相同厚度、相同边界条件的Ar薄膜的热导率；球形颗粒的热导率小于边长与其半径相等的立方形颗粒的热导率。

水中自然超空泡机理及减阻效应的非平衡分子动力学研究

应用非平衡分子动力学方法,对水中超空泡流形成机理及减阻效应进行了模拟研究.计算得到了流体密度分布、局部空化数分布、阻力系数及含气百分比等流场细节数据,结果显示空化数判据在分子层面仍然成立,局部低空化数区域与超空泡形成区域在空间上分离;超空泡形成和稳定主要受物体运动速度影响;空化器构型对空泡内含气率有较大影响;从云雾空化状态过渡到超空泡,物体表面摩擦力可以减小50%—90%.与数值模拟结果的对比表明非平衡分子动力学模拟适用于研究微观超空泡机理,能够经济有效地探讨超高速流体运动的一些自然规律.

Ni／Al层合结构热传导性能的非平衡分子动力学研究

采用非平衡分子动力学方法研究了[111]方向的Ni/Al层合结构的热传导性能.首先模拟了温度为300 K下[111]方向Ni/Al层合结构的热传导,通过分析界面处的声子态密度,发现交换热冷浴位置之后,层合结构的热参数基本没有变化,说明热冷浴的位置对结果影响不大.其次讨论了300 K下单层的Ni/Al层合结构的尺寸效应,计算结果表明随着系统尺寸的增大,界面热阻值逐渐减小并趋于平缓,并分别讨论了Ni和Al的热导率的尺寸效应;采用外推法计算了无限大系统下Ni和Al的声子热导率以及声子平均自由程,结合Wiedeman-Franz定律计算了Al和Ni的电子热导率,得到了Al和Ni的总热导率,并与实验值进行比较,结果与实验值在同一量级.然后讨论了传导方向为[001]和[110]时层合结构的界面热传导性,并和[111]方向的结果对比,发现界面热阻具有明显的各向异性.最后讨论了双周期层的Ni/Al层合结构的热传导性能,结果表明最靠近热浴的界面温度跳跃值最大,对应的界面热阻值最大,即对层合结构的热传导性能影响最大;与相同长度的单周期层结构对比,发现双周期层结构的热导率明显要小,因此可以通过增加材料的层数来提高隔热效果.

非平衡分子动力学模拟在炭膜气体分离中的研究进展

叙述了近年来非平衡分子动力学在炭膜气体分离中的研究进展,包括分子模拟方法的选取及非平衡分子动力学模拟的几个主要步骤;综述了气体混合物通过炭膜时传递和分离性能的影响因素(如孔结构及孔径大小、操作压力、温度、组分组成等);并对炭膜研究现状作了简要的概述,提出目前分子模拟在炭膜研究中所存在的问题,一方面是模型建立问题．另一方面是研究膜传递和分离机理性能所考察的影响因素还不够完善,加强对膜传递分离机理的研究,对膜的设计、制备及应用都有重要的指导意义。

空位缺陷和原子掺杂对氮化镓热导率影响的分子动力学模拟

针对氮化镓(GaN)基电子器件散热的背景,基于非平衡分子动力学(NEMD)方法研究了空位缺陷和原子掺杂对GaN晶格热导率的影响。结果表明,空位缺陷和原子掺杂会造成GaN热导率的显著变化。当温度相同时,含空位缺陷的GaN热导率低于完整GaN的热导率。在空位缺陷结构中,缺氮空位(VN)GaN的热导率低于缺镓空位(VGa)GaN的热导率。随着温度的上升,两种空位缺陷GaN的热导率都随着温度的上升而下降。在原子掺杂率为3.13%的GaN结构中,相同温度时,GaN结构掺杂铁(Fe)、镁(Mg)和硅(Si)的热导率较完整GaN热导率有所降低。在300 K至600 K范围内,掺杂同种原子的GaN热导率在300 K时最高。三种掺杂体系的GaN热导率都随着温度的上升而降低。该研究可为相关领域的GaN电子器件热管理应用提供理论参考。

纳米通道内混合气体流动的分子动力学模拟

采用非平衡分子动力学方法,模拟了混合气体在纳米通道中的Poiseuille流动.结果显示气体混合物的化学成分与物理结构不再均匀一致,随着亲水性气体粒子的减少,亲水性粒子逐渐被吸附于壁面,而疏水性粒子主要分布于通道中间.当亲水性粒子为10%时,混合气体在壁面处形成有序的"类固体".在本文的模拟条件下,流体速度分布显示混合气体流动速度随着疏水性粒子比例的增加而升高;同时,混合气体滑移速度也从负滑移速度逐渐转变为正滑移速度.

金刚石纳米薄膜法向热导率的分子动力学模拟

结合卫星“微型核”的特点,用分子动力学模拟的方法研究了金刚石晶体的热导率与其厚度和温度的依变关系。采用平衡分子动力学的方法(EMD)模拟了晶向(001)的金刚石纳米薄膜法向热导率;采用非平衡分子动力学(NEMD)方法模拟了晶向(111)的金刚石法向热导率。模拟的结果表明:金刚石纳米薄膜的法向热导率显著小于对应大体积晶体的实验值,并随着厚度的增加而增加;在模拟范围内法向热导率与薄膜厚度呈近似线性关系;薄膜热导率在模拟厚度为2.05334nm时随着温度的增加而增加;在模拟厚度为2.874676nm时,则随着温度的增加而下降。

分子动力学模拟研究具有"荷花效应"的微流通道

采用非平衡分子动力学模拟(NEMD)分析了流体在具有"荷花效应"的微流通道中的边界滑移现象.选择不同尺度的纳米级图样、通道管壁厚度、不同的密度和温度分别进行了多次模拟分析,根据模拟结果对比分析了以上各参数对流体流动方向的速度分布、速度最大值及其在通道中流动垂直方向上的位置的影响,确定了适宜的条件,使得通道中流体的速度滑移达到最大,流速这到最快.从对模拟结果的分析可知,流体流动方向的速度在通道上下边界的值及其最大值受到纳米图样高度和通道内径影响显著;在对不同密度的流体的模拟分析中发现,最大速度滑移与最大流速对应不同的流体密度.

交联对硅橡胶热导率影响的分子动力学模拟

硅橡胶具有绝缘、耐热等优势,在热界面材料中具有重要的应用.通过非平衡分子动力学方法计算了不同交联密度下的热导率.结果表明随着交联密度的变大,热导率逐渐升高.80%的交联密度可以使热导率提高40%,这是由于交联形成的空间网状结构缩短了热量沿着原子链传递的长度,使热导率有较大的提升.在相同交联密度下,键位置对热导率影响较小,端部交联和中间交联时热导率没有显著差异.但是交联活性点的间隔增加有利于热导率提高.计算了不同交联密度下的声子态密度,分析交联结构的导热机理.

硅晶体热导率及点缺陷散射影响的分子动力学模拟

由于材料中存在的缺陷结构会对材料的导热性能造成影响,本文应用逆非平衡分子动力学方法对硅材料的热导率及空位缺陷、间隙原子两种点缺陷结构对材料热导率的影响进行模拟研究.模拟结果表明:由于点缺陷存在时声子与缺陷间的散射作用,材料热导率随两种点缺陷浓度的增加逐渐减小,低缺陷浓度使得材料热导率有更大幅度的降低,随缺陷浓度增加,热导率降低的幅度逐渐平缓;当材料中存在相对较高缺陷浓度时,温度对热导率不再具有显著影响.通过对热阻的分析得出,各温度下含两种点缺陷结构时的相对热阻增量均与所考虑的点缺陷浓度呈线性关系.进一步由此宏观量间的线性关系揭示出微观层面声子、缺陷散射的平均自由程与点缺陷浓度间的反比关系.以线性关系的斜率作为衡量点缺陷对材料热阻(热导率)影响程度大小的影响因子,两种点缺陷的影响因子均随温度的升高而降低,而间隙原子对材料热导率有相对更大的影响.

少量层数石墨烯/聚乙烯界面导热性能的分子动力学模拟

采用非平衡分子动力学模拟的方法探究了石墨烯层数对石墨烯/聚乙烯复合材料界面热导的影响。结果表明,随着石墨烯层数的增大,界面热导呈现较小的增长趋势。通过分析石墨烯碳原子与聚乙烯碳原子间的振动能谱(vibration power spectra,VPS)探究了石墨烯层数影响的内在机理。结果发现,石墨烯碳原子低频范围(<50THz)的振动模式主要影响界面的热传输。

环状聚合物及其对应的线性链熔体在启动剪切场下流变特性的分子动力学模拟研究

采用非平衡分子动力学方法研究了环状聚合物及其对应的线性链熔体在启动剪切场下的结构与流变特性.模拟结果显示:低剪切速率下(γ<1×10^-1τ^-1)环状链分子体系相比于同分子量的线性链体系并没有出现明显的过冲现象.该结果表明,在启动剪切场下环状分子与其对应的线性链相比较表现出了更弱的分子形变,同时模拟结果也与最近实验观察的结果一致.为了进一步探究这种现象背后的分子机理,在分子层面统计了不同流场强度下,链段的长度和取向角分布随着应变的演化,统计结果证明了环状聚合物分子链段弱的形变是导致其弱的剪切变稀和峰值应变的主要因素.本文还给出了过冲点和稳态在不同剪切速率下环状分子与其对应的线性链的流变特性(过冲应变、最大应力、最大黏性和稳态黏性)、结构和取向参数与维森伯格数(WiR)所满足的标度关系.

碳纳米管和碳化硅纳米管热导率的分子动力学研究

采用Tersoff势测试和研究了反向非平衡分子动力学中的Müller-Plathe法和Jund法在一维纳米管热传导中的应用.在相同的模拟步数中,Müller-Plathe法可以得到很好的结果,热导率在交换频率大于50时对参数的选择并不敏感.然而,Jund法并不能得到良好的线性温度梯度,其热导率在一定程度上依赖于选择的热流大小.在此基础上,运用Müller-Plathe法进一步研究了碳纳米管和碳化硅纳米管的长度、直径和温度对热导率的影响.结果表明,无论是碳纳米管还是碳化硅纳米管,其长度、直径和温度对热导率的影响是一致的.只要长度增加,纳米管的热导率相应增大,但增长速率不断降低.直径对热导率的影响很大程度上还取决于温度,在高温时,直径对热导率几乎没有影响.除此之外,纳米管的热导率随着温度的增加总体上也是不断降低的,但峰值现象的出现还受纳米管长度的影响.

聚1,4-丁二烯分子链导热性能的分子动力学模拟

采用非平衡分子动力学(NEMD)方法模拟了沿主链方向充分伸直的聚1,4-丁二烯(cis-1,4-PB)分子链的热传导过程,研究了尺寸效应对cis-1,4-PB分子链导热率的影响,探讨了cis-1,4-PB分子链在导热过程中的微观机理。模拟结果表明,cis-1,4-PB分子链的导热率随着链长的增加而增大,但增加的趋势逐渐变缓;cis-1,4-PB分子链导热率的倒数与链长的倒数呈线性关系。

单壁碳纳米管热导率的分子动力学模拟

有限长度的单层碳纳米管的导热系数是采用非平衡分子动力学模拟(NEMD)进行研究的,本文对导热系数与温度和直径的关系进行了研究。在这项工作中,我们研究了长度为24.5nm的具有不同直径-(6,6),(7,7),(8,8),(10,10),(15,15)的碳纳米管在温度范围为200-700K内的导热系数。值得注意的是单层碳纳米管的热导率在200-700K的温度范围内随着温度升高而降低,而且降低地越来越平缓。与小管径的单层碳纳米管不同,具有更大管径的单层碳纳米管具有更高的热导率。