随着电子机械的特征尺寸逐渐缩小至微米/纳米量级,器件的性能、稳定性和寿命很大程度上取决于零件材料的热传输效率。因此,探求具有优异导热性能的新型材料已迫在眉睫。自从1991年Iijima发现碳纳米管以来,碳纳米管引起了全世界科学家的关注。碳纳米管的准-维纳米结构使其具有独特的一维导热性能,其平行于轴线方向的导热系数大到能与金刚石的导热系数相媲美。近年来有研究发现,在直径足够大的单壁碳纳米管中添加C60分子、氩原子、甲烷、氢气等等可以形成一种新的混合物。目前,人们逐渐关注这种新型混合物的导热性能。 为了进一步探讨这种新型混合物的导热性能,本文采用非平衡态分子动力学模拟(NEMD)方法,计算了填充水后(10,10)型单壁碳纳米管在不同温度和长度下的导热系数,研究了它随温度和碳管长度变化的情况,并将其与相应空的纯碳纳米管的导热系数作比较,分析在相同温度下,填充水对碳纳米管导热系数的影响。 模拟结果表明,由于具有可减少声子散射的近似完美的准一维结构,碳纳米管内声子的平均自由程很长。在相同的温度下,两者的导热系数均随着碳管长度的增加而增大,这应该是由于管长小于声子的平均自由程时,声子在碳纳米管内的输运是以弹道输运模式进行。两种情况下单壁碳纳米管的导热系数均随着温度的升高而下降。这是因为随着温度的升高,碳原子和水分子的运动加快,使得碳纳米管的声子的U散射增加,从而导致声子的平均自由程的减少,降低了碳纳米管的导热系数。 同时模拟发现,填充水后单壁碳纳米管的导热系数要高于相应空的单壁碳纳米管的导热系数。这是由于水分子在碳管中的频繁来回运动导致出现了传质现象。其次,由于水分子和碳纳米管的相互作用导致碳纳米管原子之间的作用力发生改变,这种新结构的形成更有利于碳纳米管声子的穿越。