阵列碳纳米管薄膜热量传递规律的实验和理论研究

阵列碳纳米管薄膜以优良的导热性和机械顺从性成为最佳的热界面材料，但由于阵列中管与管及管与界面之间的相互作用，其导热特性相对单根碳纳米管发生了较大变化。项目旨在系统测量不同厚度的阵列碳纳米管薄膜在不同温度下的法向、面向热物性及界面热输运性质，揭示碳纳米管阵列中的热量传输规律。项目拟采用飞秒脉冲激光泵浦－探测热反射法在300－500K的温度区间内超快探测阵列碳纳米薄膜内部及界面的热输运特性；结合3-Omega虚拟锁相法及直流稳态法测量阵列薄膜在80－500K温度区间的法向、面向热物性，实现对阵列薄膜面向和法向物性的全面表征；采用基于晶格动力学的声子谱法研究碳纳米管声子谱在其长度变为亚微米量级后的改变和阵列中管与管之间及管与基底之间相互作用对碳纳米管声子的影响，分析微观导热机制；以实验测量和数值计算结果为依据，从玻尔兹曼方程出发研究碳纳米管阵列中的热量传递规律。

本项目严格按照原研究计划执行，未作任何调整。和日本东京大学Shiomi教授，中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所李清文研究员，清华大学化工系魏飞教授等合作，在石英和硅基底上制备了不同厚度、不同管径的碳纳米管阵列，并解决了碳管阵列与基底结合的关键难题，制备出浮游高定向碳纳米管阵列薄膜。采用飞秒脉冲激光泵浦-探测热反射技术和纳米脉冲激光闪光法，在240-500K温度区间测量了阵列碳纳米管薄膜的法向热导率和热扩散率。采用直流稳态法和3ω方法测量了悬浮阵列碳纳米管薄膜的面向热导率和电导率，结合已经测量得到的法向热物性，实现了对阵列碳纳米管薄膜法向和面向热物性的全面表征。采用扫描电镜、透射电镜和拉曼光谱研究了碳管阵列薄膜的微观结构。开发了综合表征微纳米热电线材热电性能的交流加热-直流探测T形法，并采用该方法研究了超长双壁碳纳米管束的热电特性，测量结果表明该碳纳米管束的优值系数比其它碳纳米管样品优值系数的报道值大一个数量级。项目采用基于晶格动力学的声子谱法研究了碳纳米管阵列中管间范德华力作用对热输运特性的影响，研究了碳纳米管阵列相对单根碳纳米管热导率变化的影响因素及微观物理机制。