發(fā)布時(shí)間：2021-09-24 07:37

　　石墨烯性能優(yōu)異,應(yīng)用前景廣闊,是當(dāng)今國(guó)際科技研究前沿之一。目前已有不少文獻(xiàn)對(duì)石墨烯進(jìn)行了研究,但對(duì)其熱力學(xué)性質(zhì)的研究還不深入和系統(tǒng),尤其是對(duì)其非簡(jiǎn)諧特征的研究很少。深入和系統(tǒng)地研究石墨烯熱力學(xué)性能的非簡(jiǎn)諧效應(yīng),確定它的熱膨脹和熱容量以及熱導(dǎo)率隨溫度的變化規(guī)律,是目前的首要任務(wù)。石墨烯的熱膨脹、蓄熱和導(dǎo)熱性是非簡(jiǎn)諧效應(yīng)最明顯的性能,在超薄型高蓄熱材料及可調(diào)節(jié)熱管理系統(tǒng)等中有廣泛應(yīng)用。如何從實(shí)驗(yàn)和理論方面來確定這些性能隨溫度的變化規(guī)律,目前尚未得到解決。從理論上確定石墨烯熱膨脹系數(shù)、熱容量以及熱導(dǎo)率隨溫度的變化規(guī)律并探討出其非簡(jiǎn)諧效應(yīng),是當(dāng)今研究的焦點(diǎn)。本文提出了研究固體材料性質(zhì)變化規(guī)律的非簡(jiǎn)諧效應(yīng)理論方法,即通過嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和數(shù)理論證來確定材料性質(zhì)隨溫度的變化規(guī)律。為了確定石墨烯熱膨脹系數(shù)、熱容量以及熱導(dǎo)率隨溫度的變化規(guī)律,需建立合理的物理模型,確定石墨烯的特性函數(shù)自由能。本文在石墨烯熱膨脹、熱容量和熱導(dǎo)率的研究基礎(chǔ)上,用固體物理理論,得到石墨烯低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)和熱容量以及熱導(dǎo)率隨溫度變化規(guī)律的解析式,計(jì)算并分析這些熱力學(xué)量隨溫度變化的特點(diǎn),探討了原子非簡(jiǎn)諧振動(dòng)對(duì)它們的影響,并與實(shí)驗(yàn)和其... 

【文章來源】：材料導(dǎo)報(bào). 2020,34(09)北大核心EICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：6 頁(yè)

【部分圖文】：

(a)石墨烯的熱容量和(b)兩種情況的熱容量的差隨溫度的變化

石墨烯熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化

式中:μ為石墨烯的摩爾質(zhì)量,η是與固體材料有關(guān)的參數(shù),取值在2～3之間,l0是待定參量,v為平均聲速。按文獻(xiàn)[8]取值, η=2、l0=2.593×10-4 m、v=16.939 8 km·s-1。由式(11)得到石墨烯的熱導(dǎo)率隨溫度的變化如圖3a所示。圖3a中線0、1和線2的含義同圖1b。為了反映非簡(jiǎn)諧效應(yīng)與溫度的關(guān)系,圖3b為同時(shí)考慮第一、二非簡(jiǎn)諧項(xiàng)與只考慮第一非簡(jiǎn)諧項(xiàng)時(shí)的熱導(dǎo)率的差(ΔK=Kva-Kv1)隨溫度的變化。由圖3看出:(1)石墨烯熱導(dǎo)率較大,它隨溫度的升高呈非線性減小。溫度不太高時(shí),石墨烯的熱導(dǎo)率減小得較快,當(dāng)T>1 000 K后,熱導(dǎo)率則減小得較慢。(2)非簡(jiǎn)諧效應(yīng)造成的熱導(dǎo)率的相對(duì)增大量(ΔK/K=(Kva-Kv0)/K)隨著溫度升高而增大,即:溫度愈高,非簡(jiǎn)諧效應(yīng)愈顯著。如T=400 K時(shí),ΔK/K≈0.667%;T=1 000 K時(shí),ΔK/K≈0.75%。非簡(jiǎn)諧項(xiàng)對(duì)石墨烯熱導(dǎo)率的影響在0.5%～0.8%之間,尤其是第二非簡(jiǎn)諧項(xiàng)的貢獻(xiàn)不能忽略。(3)本文采用非簡(jiǎn)諧效應(yīng)理論的研究方法,不僅給出了石墨烯熱導(dǎo)率隨溫度變化的解析式,而且計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[36]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果較接近,如T=300 K時(shí),本實(shí)驗(yàn)計(jì)算的熱導(dǎo)率值與實(shí)驗(yàn)值4 840 W·m-1·K-1相比較,誤差為4.11%;而文獻(xiàn)[29]采用價(jià)力場(chǎng)方法計(jì)算的熱導(dǎo)率值和文獻(xiàn)[37]采用非平衡動(dòng)力學(xué)模擬與用Brenner勢(shì)計(jì)算的熱導(dǎo)率值誤差分別為40%和 30%以上。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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