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im体育网页版:空心纳米线热导率和比热 《科学通报》封面文章

发布时间:2022-07-03 00:42:31 来源:im体育网站 作者:im体育下载

  《科学通报》第5~6期以封面文章形式发表,西安交通大学蔺子甄、何雅玲和李印实最新研究成果“空心纳米线热导率和比热:理论模型构建与尺度效应分析”,欢迎关注~

  具有独特一维空心结构的金属纳米线,由于其优异的轴向热导率和电导率以及轻质、高强度等特点, 在柔性热界面材料、热电复合材料、储热材料、压电材料等领域受到广泛关注,也为低品位能源利用和微电子元器件热管理等问题提供了可选择的解决方案。热导率是衡量空心纳米线导热性能的重要指标,目前关于空心纳米线热导率的研究以数值模拟为主,例如非平衡分子动力学。数值模拟求解得到的热导率虽较为精确,但计算过程繁琐且计算周期冗长,在实际应用中存在诸多不便。提出空心纳米线热导率的理论预测模型具有重要的物理意义和实际应用价值。

  文章基于连续性介质理论和一维热流假设,建立了考虑尺寸效应的空心纳米线热导率的理论模型,并基于此模型研究了空心铜纳米线热导率与特征尺寸的依赖关系。在此基础之上,分别讨论了电子热导率和声子热导率的尺寸效应,并对其尺寸效应的产生机理进行了揭示。主要结论如下:

  空心铜纳米线的有效热导率随长度和壁厚的变化均表现出显著的尺寸效应。这是由于电子和声子的散射机制受空心纳米线特征尺寸变化的影响而发生转变,从而使电子和声子表现出由弹道输运向扩散输运的转变。

  电子对空心铜纳米线的热导率起主要贡献,约占90%左右,声子的贡献率约占10%。空心铜纳米线的电子热导率和声子热导率随壁厚变厚均快速增加,且前者的增加速度远快于后者。这是由于声子较电子更容易受到边界散射的影响,即随着壁厚变厚,电子平均自由程较声子平均自由程以更快的速度增加,这是电子热导率较声子热导率增长更快的本质原因。

  与实心铜纳米线相比,同壁厚的空心铜纳米线具有更大的电子热导率和基本相同的声子热导率。实心铜纳米线的电子平均自由程大于空心铜纳米线是空心铜纳米线具有较大电子热导率的直接原因。而二者近似相等的声子热导率是由声子热容和声子平均自由程共同作用决定的结果,即空心铜纳米线的声子热容大于实心铜纳米线,而空心铜纳米线的声子平均自由程小于实心铜纳米线

  空心铜纳米线的声子热容随壁厚降低表现出显著的尺寸效应,即声子热容随着壁厚的减小而快速增加。当壁厚=10 nm时,空心铜纳米线的声子热容最大可以达到体材料声子热容的1.6倍、同壁厚实心铜纳米线 nm时,空心铜纳米线声子热容等于实心纳米线的声子热容,且二者均为块体铜的1.1倍。

  ↓↓蔺子甄,何雅玲,李印实. 空心纳米线热导率和比热:理论模型构建与尺度效应分析. 科学通报, 2019, 64: 611 ~620


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