【摘 要】
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微纳尺度传热是当今热科学的重要发展方向,由于电子元件的高度集成化和热电材料的不断发展,微纳尺度下热输运性质的深入探索成为一个重点关注问题。在本文中我们利用改进的蒙特卡洛法KMC(动力学蒙特卡洛方法)模拟了不同模型下的声子热输运问题,通过与已有解析解的对比验证了方法和程序的准确性,并研究了纳米孔隙结构中的热输运过程,通过对比各尺寸下不同孔隙分布及孔隙率等参数对热导率的影响,并进一步通过对各频率对热导
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微纳尺度传热是当今热科学的重要发展方向,由于电子元件的高度集成化和热电材料的不断发展,微纳尺度下热输运性质的深入探索成为一个重点关注问题。在本文中我们利用改进的蒙特卡洛法KMC(动力学蒙特卡洛方法)模拟了不同模型下的声子热输运问题,通过与已有解析解的对比验证了方法和程序的准确性,并研究了纳米孔隙结构中的热输运过程,通过对比各尺寸下不同孔隙分布及孔隙率等参数对热导率的影响,并进一步通过对各频率对热导率的贡献细节解释了具体原因。研究发现,孔隙的存在削弱了低频长自由程声子对热导率的贡献比例,不同分布情况的孔隙对声子的阻碍作用差别很大,热输运表现为明显的弹道过程;孔隙的形状与孔隙率对热导率影响很大,在孔隙率较小的情况下,孔隙周长和迎向热流的界面长度是主要因素,随着孔隙率的增大,孔隙间最短距离(颈部)成为主要控制因素,距离越短,热导率越小。复杂微纳结构中另一重要的问题是界面,在理论方面,AMM(声学失配模型)与DMM(漫射失配模型)模型是预测界面热导的两种传统模型,但只限于完全镜面或完全粗糙的情况,只在较小范围内与实际值相符合。本文研究了不同界面模式对热导的影响以及具体原因,分析了影响热导的具体因素。发现低频长自由程声子的处理方式及透射率的重要影响,同时发现是否考虑声子的相干性对热导率也有很大的影响。通过过模拟TTR(三维超短脉冲激光瞬态热反射)实验,发现KMC方法在解决半无限大,温差非常小的情况下优势明显。
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