本文關鍵詞：碳納米管接觸熱特性的分子動力學模擬

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【摘要】：如今,電子器件尺寸不斷減小,熱流密度急劇上升；同時,電子器件和散熱器接觸時存在的一些縫隙或孔洞,嚴重阻礙了熱量從電子器件到散熱器的傳輸,使得電子器件和電子設備的工作壽命和工作效率大幅降低。因此,提高電子設備的散熱水平成為制約電子行業(yè)發(fā)展的重要因素。針對上述問題,專家們提出了熱界面材料的概念,通過采用將其填充到縫隙中的方式來降低熱阻,提高熱傳輸效率。近些年,碳納米管因為其具有非常高的軸向熱導率和良好的柔韌性成為備受追捧的熱界面材料。若想提高電子器件到散熱器之間的傳熱效率,不僅需要界面材料本身具有高的熱傳導性,還需要降低電子器件和熱界面材料、熱界面材料和散熱器接觸時形成的界面熱阻。本文采用分子動力學方法模擬了碳納米管-硅和碳納米管-銅的界面熱特性。這些特性將對未來微電子器件的散熱設計提供一定的參考價值。在單壁碳納米管-硅和單壁納米管-銅界面熱特性的模擬中,主要考慮了溫度、界面原子間作用力、碳納米管管徑、熱整流效應這四個因素。經過計算,得出了以下四個規(guī)律： (1)界面熱導隨著溫度升高而增大,產生這種現象的原因是由于溫度升高,更多的聲子被激發(fā),促進了熱量的傳輸。后者在550K時出現峰值,以后略有下降。(2)界面熱導隨著界面原子間作用力的增強而增大,近界面處的原子會隨著作用力的增強而振動加劇,聲子耦合度變好,熱傳輸水平得到提高。 (3)管徑的變化對界面熱導同樣存在很大的影響,增大碳納米管管徑,界面處相互作用的原子數增多,熱傳輸途徑變多,界面熱導增大。 (4)交換冷熱端后,界面熱導的數值明顯發(fā)生了變化,在單壁碳納米管-硅的模型中,碳納米管作為熱端比作為冷端時界面熱導大5.5%-22%；在單壁碳納米管-銅的模型中,碳納米管作為熱端比作為冷端時,界面熱導大3%-10%。這說明界面熱傳輸中存在熱整流效應,且從數值上看,單壁碳納米管-硅受影響更大,兩者都隨著溫度升高整流效應影響減弱。在多壁碳納米管-硅和多壁納米管-銅界面熱特性的模擬中,考慮了溫度、管壁數目以及原子間作用力三個因素。得到了以下規(guī)律： (1)溫度依賴性模擬是以三層碳納米管管壁為例,所得結論與單壁碳納米管相同,界面熱導隨溫度的升高而增大,且在相同溫度下,碳納米管-硅的界面熱導明顯大于碳納米管-銅的界面熱導。(2)界面熱導隨管壁數的增大而減小。(3)作用力依賴性的模擬主要包括兩個方面,一方面是調整碳原子與硅/銅原子之間的作用力,經過計算發(fā)現界面熱導隨著界面兩側原子間作用力的增大而線性增大；另一方面是改變處在不同層的碳原子間的作用力,發(fā)現界面熱導并沒有發(fā)生變化,可見不同層碳原子間的作用力對軸向方向的熱傳輸并沒有直接作用。
【關鍵詞】：碳納米管 分子動力學 界面熱導
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN60;TK124
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 緒論10-16
• 1.1 課題背景10-11
• 1.2 碳納米管介紹11-13
• 1.2.1 碳納米管的結構11-12
• 1.2.2 碳納米管的性質12-13
• 1.3 研究現狀13-15
• 1.4 本文的主要內容及章節(jié)安排15-16
• 2 分子動力學模擬相關內容16-28
• 2.1 熱輸運相關概念16-17
• 2.2 分子動力學概述17-18
• 2.3 分子動力學模擬的步驟18-20
• 2.4 分子動力學相關軟件20-21
• 2.5 分子動力學模擬中系統(tǒng)平衡控制21-23
• 2.5.0 系綜控制21
• 2.5.1 溫度控制21-22
• 2.5.2 壓強控制22-23
• 2.6 勢函數選取23-26
• 2.7 熱導率的分子動力學模擬26-28
• 2.7.1 平衡分子動力學模擬(EMD)26-27
• 2.7.2 非平衡分子動力學模擬(NEMD)27-28
• 3 單壁碳納米管-硅界面熱特性的模擬研究28-38
• 3.1 模型構建與模擬過程28-30
• 3.1.1 界面模型28-29
• 3.1.2 勢函數29
• 3.1.3 模擬過程29-30
• 3.2 模擬結果與分析30-36
• 3.2.1 溫度對界面熱導的影響30-32
• 3.2.2 作用力大小對界面熱導的影響32-34
• 3.2.3 熱整流效應34-35
• 3.2.4 碳納米管管徑對界面熱導的影響35-36
• 3.3 小結36-38
• 4 單壁碳納米管-銅的界面熱特性的模擬研究38-47
• 4.1 模型構建和模擬過程38-39
• 4.1.1 界面模型38
• 4.1.2 勢函數38-39
• 4.1.3 模擬過程39
• 4.2 模擬結果與分析39-46
• 4.2.1 溫度對界面熱導的影響39-42
• 4.2.2 作用力對界面熱導的影響42-43
• 4.2.3 熱整流效應43-45
• 4.2.4 碳納米管管徑對界面熱導的影響45-46
• 4.3 小結46-47
• 5 多壁碳納米管界面熱特性的模擬研究47-57
• 5.1 模型構建和模擬過程47-48
• 5.1.1 界面模型47-48
• 5.1.2 勢函數48
• 5.1.3 模擬過程48
• 5.2 模擬結果與分析48-55
• 5.2.1 溫度對界面熱導的影響48-52
• 5.2.2 碳納米管管壁數對界面熱導的影響52-53
• 5.2.3 作用力對界面熱導的影響53-55
• 5.3 小結55-57
• 結論57-59
• 參考文獻59-62
• 致謝62-63

【參考文獻】

中國重要會議論文全文數據庫 前1條

1 楊邦朝;陳文媛;曾理;胡永達;;熱界面材料的特性及其應用[A];中國電子學會第十四屆電子元件學術年會論文集[C];2006年

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本文編號：1062422