纳米颗粒/碳纳米管复合纤维的热输运机理研究

Owing to its high electrical conductivity, high strength, light weight and corrosion resistance, nanoparticle-carbon nanotube composite fiber becomes an ideal candidate to replace metal wire in many fields, such as electric power transmission, aerospace and automobile industry in the near future. However,it presents relatively lower ignition temperature (about 500 ℃). When it races toward the large-capacity electric power transmission application,self-ignition may happen because of heat accumulation and poor heat transportation.Therefore, studies on its heat generation and thermal transportation properties have significant meaning. This subject uses the harmonic detection method as experimental means to study the influence law of nanostructure units content, size, twist angle and packing density on the heat transportation properties of the composite fiber,combining the molecular dynamics simulation method to study the influence law of contact mode and heat flux on the contact thermal resistance between individual carbon nanotubes, thus constructing theoretical models of the axial and radial thermal conductivities for nanoparticle-carbon nanotube composite fiber. The research results will provide theoretical basis and evaluation means for the structural optimization design of high-safety nanoparticle-carbon nanotube composite fibrous wire, and enrich our understandings of the thermal transportation mechanisms in the micro/nano-structure composite material system.

纳米颗粒/碳纳米管复合纤维具有高导电、高强度、轻质、耐腐蚀等特点，被认为是未来电力输送、航天及汽车工业等领域取代金属导线的理想材料。但是其燃点较低（约500 ℃），在大容量电力输送过程中由于发热量积累及散热不畅可能导致自燃，因此对其发热及热输运特性研究极为重要。本课题以谐波探测法为实验手段，研究复合纤维内纳米结构单元含量、尺寸、捻角、排列密度对其热输运特性的影响规律；结合分子动力学模拟研究接触方式及热流等对包含了纳米颗粒的碳纳米管间接触热阻的影响规律，构建纳米颗粒/碳纳米管复合纤维轴向及径向热导率的理论模型。研究结果将为高安全性纳米颗粒/碳纳米管复合纤维导线的结构优化设计提供理论依据及评价手段，丰富对微纳结构复合材料体系热输运规律的认识。

为解决碳纳米管电线在大容量电力输送过程中因发热量累积及散热不畅可能引发自燃等安全问题，本项目主要从构效关系角度全面研究了这类纳米新材料热输运的相关基础问题，包括由碳纳米管间接触热阻主导的纤维热输运模型、表观热输运尺度效应及其对碳纳米管电线发热及散热的影响。通过对热输运参数及机理的研究和掌握，设计了纳米颗粒/碳纳米管复合纤维功能化制备方案，实验证实热导率显著提升，达到了课题预期的目的。 . 实验结合理论研究了基于机械方法构筑的水平碳纳米管阵列的各向异性热输运特性，为解决微纳电子电路中热载荷不均问题提供了新方案。重构的水平碳纳米管阵列面向密度高达10.1%，接近垂直碳纳米管阵列的7倍，由此获得高达127 W/m K的面向热导率；以碳纳米管侧壁面与热沉的接触方式替代垂直碳纳米管顶端接触实现了接触面积23倍的增加，实现了低至0.8 m2K/MW的碳管-热沉界面热阻。实验证实了碳纳米管阵列捻成的纤维的电导率随环境温度遵循“热波动诱发隧穿”机制；揭示了热导率及热扩散率随长度出现新颖的 “二次方”关联关系的作用规律及机理；提出了引入“局部凝聚点”及“短程官能团”分别作为电/热中继器调控碳纳米管纤维电/热输运特性的作用机制；为开发智能碳纳米管电线奠定了基础。在项目执行过程中，开展了一些没有列入计划和本项目相关的工作，主要集中在碳纳米管阵列的制备及优化的研究，包括CVD方法制备碳纳米管阵列生长参数的调控及对样品传热性能的影响规律、减少无定形碳工艺摸索等。延伸的研究成果为开发碳纳米管阵列热界面材料、解决航天热控的轻质高导散热快碳纳米管纤维提供了优选的参考方案。. 研究结果已出版专著章节2章、发表SCI检索10篇（1篇IF>15，3篇IF>5）、EI检索5篇，会议论文8篇；授权专利5项、软件著作权1项；培养博士2名、硕士2名；成员获“王补宣青年论文奖”等5项奖励，负责人受邀成为Nature Publishing Group旗下著名国际期刊 “Scientific Reports” (IF=5.578) 编委会委员、中关村天合科技成果市场转化成熟度评价系统（T-CAM）评价师。