石墨烯/石蜡复合相变材料热物性的分子动力学模拟

作     者：张树坤 

作者单位：青岛科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周艳

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：分子动力学 石墨烯 正十八烷 定向晶体化 导热性能 

摘      要：以直链烷烃及其混合物为主要构成的石蜡基相变材料由于较低的热输运性能使得其在热能储存及能源管理方面的应用受到了极大的限制。随着新型纳米技术的发展,诸多纳米添加剂如碳纳米材料及金属纳米颗粒等被添加入相变材料中构成复合相变材料来提高相变材料的热输运性能,改善传统相变材料的导热性能。为了研究复合相变材料中烷烃分子的微观行为及其与碳纳米材料以及金属纳米添加剂间的相互作用,采用MD模拟方法以及声子输运理论,本文研究了石墨烯/石蜡复合相变材料及其在Cu纳米表面的微观行为。主要研究内容及结论如下:以正十八烷为基体材料构建无定型正十八烷体系与晶体型正十八烷体系进行研究,分析两体系的末端距分布与扭转角分布,以及体系中正十八烷的扩散系数和导热系数,研究两体系在相变过程中微观结构与热物理性能。研究结果表明晶体型体系中正十八烷的相变温度约为300K～310K,而无定型体系中正十八烷的相变温度约为310K～320K;提高相变材料的有序度是增强材料热物性的一种行之有效的方法。从这一角度出发,以石蜡(正十八烷)为基体材料添加石墨烯建立石墨烯/正十八烷复合相变材料,通过计算与分析复合相变体系的导热系数及其中石墨烯与正十八烷的振动功率谱,进一步解释石墨烯对复合体系热物理性能的增强机理。在此基础上,从石墨烯对正十八烷分子链微观行为的影响这一角度出发,构建了正十八烷-纳米Cu(1 0 0)表面结构与正十八烷/石墨烯-纳米Cu(1 0 0)表面结构,并利用分子动力学模拟的方法对比研究了两体系相变过程中石墨烯和Cu纳米表面对烷烃分子微观行为的影响。结果表明在体系中添加金属纳米颗粒来提高相变材料的热物性的微观机理在于不仅金属纳米材料本身具有极高的导热系数,而且金属纳米表面与烷烃分子的相互作用促使了烷烃分子在金属表面的定向结晶。石墨烯作为一种性能优良的高导热碳纳米材料,更是一种优良的成核剂,可以进一步促进复合体系中烷烃分子的定向结晶,进而提高整个体系中复合相变材料的导热性能。