多壁碳纳米管的热传输gydF4y2Ba

文摘gydF4y2Ba

研究导热nano-dimensional结构提高了无数利益不仅因为几何相关的热传输,也显然可控散热限制地区包括缺陷和杂质原子的作用。在减少bulk-to-nanoscale维度的结构尺寸,会有比热容的重要改变。所以,热导率在不同温度不同的政权接近最大价值在300 K碳纳米管(碳纳米管)。这可能指出,电子比热容贡献不同,晶格贡献1 d系统不同~ T(相比~ T3趋势3 d系统)。虽然理论上和实际上SWCNT导热系数进行了测量,但没有这样的理论工作已经执行了两倍和三倍壁碳纳米管。我们首先建立了热导率的理论计算DWCNT和TWCNT匹配与实验观测。我们工作的新颖性在于这样一个事实,我们第一次发现墙壁的没有问从一到两倍,三倍,增加导热系数值减少由于范德华相互作用的原子不同的墙壁。问我们看到热导率着单壁球长大非常高(~ 3500 WmK-1),但它会降低到~ 700 WmK-1双壁问。这个下降归因于不连贯的散热由于显著之间的范德华相互作用原子不同的同轴墙壁gydF4y2Ba

关键字gydF4y2Ba

碳纳米管(CNT)、热传输载体,着单壁球长大的碳纳米管(SWCNT),三壁碳纳米管(TWCNT),多层碳纳米管(MWCNT)gydF4y2Ba

介绍gydF4y2Ba

nano-mechanics在电子学的应用,能源存储设备,碳纳米管(碳纳米管)被视为第一选择的研究人员和制造商(gydF4y2Ba1gydF4y2Ba,gydF4y2Ba2gydF4y2Ba]。重量轻,特殊的电子结构,高刚性和高耐热性可以使碳纳米管的理想候选人不同的应用技术感兴趣(gydF4y2Ba3gydF4y2Ba]。两单壁碳纳米管是管(SWCNTs)以及多壁管(热合)。许多技术已经广泛被用于合成SWCNTs和热合。等等,都是化学气相沉积(CVD)、金属有机化学气相沉积(金属)和其他复杂的外延方法[gydF4y2Ba3gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba5gydF4y2Ba]。尽管所有这些方法都有自己的优点和缺点,但是,总的来说,他们选择了获得大规模热合在SWCNTs的生产。gydF4y2Ba

在过去,碳纳米管被广泛研究关于机械、热、光电、gydF4y2Ba光伏gydF4y2Ba方面。例如,碳纳米管已经被经常用于悬臂提示在扫描探针显微镜,特别是当纳米缺陷和空洞需要精确的成像(gydF4y2Ba6gydF4y2Ba,gydF4y2Ba7gydF4y2Ba]。由于bio-conjugation能力和高特异性、纳米管还可以找到价值与高产筛选和配方的药物。碳纳米管的安全交互与蛋白质和dna也被证明了各种工人在过去gydF4y2Ba8gydF4y2Ba,gydF4y2Ba9gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

这里值得一提的可能,随着设备的维数降低到纳米尺度,热管理对提高电路速度变得越来越重要,品质因数和设备的整体性能。作为一种重要的观察,SWCNTs的导热系数(~ 3500 WmKgydF4y2Ba^1gydF4y2Ba)[gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]对碳管彻底镇压。在这种沟通中,我们证明它在SWCNTs的热传导,热合使用修改后的热扩散模型方程考虑不连贯的散热,但考虑到重要的范德华相互作用的原子不同的墙壁。gydF4y2Ba

数学分析gydF4y2Ba

碳纳米管的有效性以显示令人兴奋的机械、电子、热和光学特性,针对大量的技术应用。尽管实现碳纳米管在众多领域的重要性,几乎没有进步在理解热传导在碳纳米管特别是考虑墙的数量考虑在内。这里,运用相关的理论治疗我们评估热响应不同的热合SWCNT作为参考。gydF4y2Ba

单壁碳纳米管(SWCNT)gydF4y2Ba

理想情况下,问是卷起来的一个二维的结果gydF4y2Ba石墨烯gydF4y2Ba表(gydF4y2Ba11gydF4y2Ba]。了解热荷载的性质是非常重要的首先的态密度(DoS)量化晶格振动(声子)。2 d系统,DoS pfIG honons是由(gydF4y2Ba12gydF4y2Ba]:gydF4y2Ba

(1)gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BaωgydF4y2Ba和gydF4y2BavgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba分别是角频率和声子群速度。还可以定义一个声子比热容,gydF4y2BacgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}2 d系统,是有效的gydF4y2Ba(gydF4y2Ba6gydF4y2Ba]gydF4y2Ba

(2)gydF4y2Ba

知道,gydF4y2BavgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba可以表达的吗gydF4y2Ba和晶格参数gydF4y2Ba与gydF4y2BafgydF4y2Ba_DgydF4y2Ba在德拜频率(gydF4y2Ba12gydF4y2Ba),我们有gydF4y2Ba

(3)gydF4y2Ba

另一方面,平均自由路径长度(λgydF4y2Ba_我gydF4y2Ba声子)的2 d SWCNTs由gydF4y2Ba(gydF4y2Ba6gydF4y2Ba]。在这里,gydF4y2Ba米gydF4y2Ba和gydF4y2BaTgydF4y2Ba代表的质量gydF4y2Ba碳gydF4y2Ba原子分别与工作温度。现在,我们定义导热系数gydF4y2BaKgydF4y2Ba,频率低于德拜频率可以制定为(gydF4y2Ba6gydF4y2Ba]:gydF4y2Ba

(4)gydF4y2Ba

在那里,gydF4y2Ba任意频率的最小值(为简单起见,gydF4y2BafgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba= 1 Hz)。因此,在我们编写标准化形式,gydF4y2Ba

(5)gydF4y2Ba

在这里,gydF4y2Ba规范化的导热系数gydF4y2Ba和规范化的温度(gydF4y2BaTgydF4y2Ba_{300年gydF4y2Ba}分别为= 300 K)。gydF4y2Ba

双壁碳纳米管(DWCNT)gydF4y2Ba

可以观察到gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba、热gydF4y2Ba导电率gydF4y2Ba下降显著增加的数量的墙壁。特别是,SWCNT相比,K值对于DWCNT下降超过60%。典型的热导率值DWCNT接近600 WmgydF4y2Ba^1gydF4y2BaKgydF4y2Ba^1gydF4y2Ba(gydF4y2Ba1gydF4y2Ba]。尽管碳纳米管的热导率是由晶格振动的强度,减少趋势的原因可以归因于碳原子的范德华相互作用邻墙。这样的互动被认为存在当inter-wall间距小于0.7 nm依照Lenard-Jones势能曲线。有效的相邻原子之间的范德华吸引力邻墙负责抑制沿轴向方向的导热系数测量的问。为了计算有效频率与范德瓦耳斯相互作用我们考虑一个模型图所示gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

让我们考虑两个相邻原子gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba_1gydF4y2Ba和gydF4y2BaBgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba两个不同的墙壁经历一种力量,gydF4y2BaFgydF4y2Ba。这可能指出,当晶格振动沿轴向传播的所有原子振荡对他们意味着职位。原子位移(x)被认为是小而分离墙(l)。当gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba_1gydF4y2Ba原子是流离失所的平均位置(位置gydF4y2Ba),那么这个力组件gydF4y2BaFgydF4y2Ba罪gydF4y2BaθgydF4y2Ba将努力减少位移gydF4y2BaxgydF4y2Ba。同样的,gydF4y2BaFgydF4y2Ba罪gydF4y2BaθgydF4y2Ba组件也作用于原子gydF4y2BaBgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba,当它取代的平均位置。这可以归因于不同步gydF4y2Ba热gydF4y2Ba原子的振动gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba_1gydF4y2Ba和gydF4y2BaBgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba。正常的组件gydF4y2BaFgydF4y2Ba因为gydF4y2BaθgydF4y2Ba在这种情况下是无关紧要的。降低振荡频率的表达式,gydF4y2BaωgydF4y2Ba_rgydF4y2Ba原子的振动可以用牛顿力学预测。gydF4y2Ba

指的是gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba我们写,gydF4y2Ba

(6)gydF4y2Ba

的频率,gydF4y2Ba

(7)gydF4y2Ba

的值gydF4y2BaFgydF4y2Ba可以确定从Lenard-Jones公式:gydF4y2Ba

(8)gydF4y2Ba

在那里,gydF4y2Ba和gydF4y2Ba

DWCNT的导热系数被认为是抑制的数量对应于频率降低gydF4y2Ba方程(7)的特征。结果的热导率DWCNT现在可以使用方程(3),gydF4y2Ba

(9)gydF4y2Ba

Triple-wall碳纳米管(TWCNT)gydF4y2Ba

TWCNT由三个同轴圆柱形纳米管墙间距的几个。TWCNT, mid-inner壁的碳原子在很大程度上是受到中央和外墙的原子。换句话说,内壁的每一个原子也同样在邻近的原子属于附近的墙壁。因此,减少频率对应于内外墙壁gydF4y2Ba但gydF4y2Ba对中隔墙原子。合成减少频率负责减少导热TWCNT可以给出的:gydF4y2Ba

(10)gydF4y2Ba

TWCNT的有效热导率可以表示为,gydF4y2Ba

(11)gydF4y2Ba

结果和结论gydF4y2Ba

在gydF4y2Ba图2gydF4y2Ba线(一个)显示的图形轮廓方程(5),如何规范化的导热系数随归一化温度。线(b)从经验数据绘制。我们可以看到两个线(a)和(b)几乎是一样的。而在gydF4y2BaTgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba= 1.4线,热导率几乎相同的值。在所有温度理论热导率值总是大于观测值。这是由于gydF4y2Ba杂质gydF4y2Ba,缺陷gydF4y2Ba纳米管gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

再次从gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba我们可以看到突然降低热导率DWCNT (n = 2)对热导率的SWCNT (n = 1)。我们看到,CNT着单壁球长大的非常高的热导率(~ 3500 WmKgydF4y2Ba^1gydF4y2Ba),但它会降低到~ 700 WmKgydF4y2Ba^1gydF4y2Ba在室温下的双壁问[gydF4y2Ba13gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

从三维gydF4y2Ba图4gydF4y2Ba和gydF4y2Ba5gydF4y2Ba我们还可以看到,导热系数随着纳米管的长度增加。gydF4y2Ba

从gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba它可以得出结论,热导率CNT的减少的不同轴纳米管。也看到,规范化的价值似乎热导率几乎不变(w.r。t没有纳米管)随着纳米管数量的增加gydF4y2Ba14gydF4y2Ba,gydF4y2Ba15gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

大量的实验和理论研究已经集中在碳纳米管的电子结构,以了解他们的显著现象的起源。近年来有许多设备引入纳米太阳能电池等问超导体,碳纳米管作为热电装置等基于碳纳米管的热性能。gydF4y2Ba

尽管重要性几乎没有进展描述纳米管的导热性。在这工作我们给一个新的理论方法计算DWCNT和TWCNT在不同温度下的热导率。这几乎理论值符合实验值。DWCNT和TWCNT导热系数下降急剧下降(关于SWCNT),这将帮助我们计算和刺激在未来的进一步研究。gydF4y2Ba

引用gydF4y2Ba

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