雜質(zhì)對(duì)熱傳遞影響的理論模擬.pdf

1、熱電效應(yīng),也稱溫差電效應(yīng),是一種可以實(shí)現(xiàn)熱能和電能之間相互轉(zhuǎn)換的效應(yīng),可用于溫差發(fā)電或熱電制冷。相對(duì)于傳統(tǒng)的發(fā)電和制冷方式,利用熱電效應(yīng)進(jìn)行發(fā)電和制冷具有可靠性高,無污染等優(yōu)點(diǎn)。熱電效應(yīng)包括Seebeck效應(yīng),Peltier效應(yīng)和Thomson效應(yīng)。熱電材料的應(yīng)用非常廣泛,不僅可用于溫差發(fā)電,家電制冷,醫(yī)療器材等方面,并有望利用汽車尾氣進(jìn)行廢熱發(fā)電。熱電材料的性能一般由無量綱的優(yōu)值系數(shù)ZT值表示,ZT值越高,材料的熱電轉(zhuǎn)換效率越高。ZT

2、=S2σ/κ,其中S、σ、κ分別為Seebeck系數(shù)、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。目前制約熱電材料大規(guī)模應(yīng)用的主要原因就是過低的ZT值,所以提高熱電材料的ZT值就成了熱門研究方向。而提高熱電材料ZT值的主要方法之一就是通過調(diào)節(jié)材料組分來降低材料的熱導(dǎo)率。一般情況下,常溫發(fā)電的實(shí)際應(yīng)用要求ZT值大于等于1。在制冷方面,要想達(dá)到氟利昂壓縮制冷機(jī)的效率,要求材料的ZT值要大于等于3。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算機(jī)模擬已經(jīng)成了除了理論和實(shí)驗(yàn)以外,對(duì)材料物理性

3、質(zhì)研究的重要手段,分子動(dòng)力學(xué)模擬就是基于對(duì)小粒子的模擬來計(jì)算物質(zhì)的宏觀特性的學(xué)科。
　　 本論文為了研究在不同摻雜情況下,固體材料熱傳導(dǎo)所受到的影響,通過自編程序,分別對(duì)一維簡(jiǎn)單原子鏈和二維晶格模型進(jìn)行了可視化的模擬。模擬過程利用牛頓第二定律和分子動(dòng)力學(xué)中的Verlet算法,建立格點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)方程。分別在體系內(nèi)摻入不同性質(zhì)的雜質(zhì),給定體系的一端一個(gè)初始位移,從而產(chǎn)生晶格振動(dòng),在此初始條件的基礎(chǔ)上求解粒子的運(yùn)動(dòng)方程,通過記錄聲子傳

4、播到末端粒子時(shí)的能量與初始能量的比值來判斷雜質(zhì)對(duì)熱傳導(dǎo)的影響。通過上述研究,本論文取得的主要?jiǎng)?chuàng)新之處如下:
　　 一、通過自編程序,可視化的模擬了一維簡(jiǎn)單原子鏈和二維原子鏈在受到擾動(dòng)下的振動(dòng)情況。模擬結(jié)果顯示,晶格的振動(dòng)要在兩個(gè)端面之間來回多次散射,最終把能量分散在整個(gè)晶格中。到達(dá)末端的第一個(gè)能量峰值為其攜帶的最大能量值,能量經(jīng)過幾次反射以后逐次降低。模擬結(jié)果還顯示任何不同于基體元素的雜質(zhì)都會(huì)對(duì)熱傳導(dǎo)產(chǎn)生一定程度的影響。

5、　　 二、以一維簡(jiǎn)單原子鏈為模型,通過設(shè)置循環(huán)程序,分別模擬了在一維體系內(nèi)摻入不同質(zhì)量比、彈性系數(shù)比、分散度的雜質(zhì),計(jì)算得到了不同性質(zhì)雜質(zhì)阻礙體系內(nèi)能量傳遞的規(guī)律。
　　 三、以二維原子鏈為模型,通過設(shè)置循環(huán)程序,在相同體系內(nèi)摻入不同質(zhì)量比、彈性系數(shù)比、分散度的雜質(zhì),模擬計(jì)算得到了雜質(zhì)阻礙體系內(nèi)能量傳遞的規(guī)律。
　　 本論文分別以一維和二維晶格為模型,通過自編程序,可視化的模擬了能量在晶格內(nèi)部的傳遞。研究結(jié)果表明,若在

6、體系內(nèi)摻入相同數(shù)量的雜質(zhì),且雜質(zhì)具有相同的彈性系數(shù)比,質(zhì)量比取一組變化值,一維和二維的情況得到了相同的結(jié)果,即雜質(zhì)的質(zhì)量與基體材料原子質(zhì)量越相近,越不利于降低材料的熱導(dǎo)率。若在體系內(nèi)摻入相同數(shù)量的雜質(zhì),且雜質(zhì)具有相同的質(zhì)量比,彈性系數(shù)比取一組變化值,雜質(zhì)的彈性系數(shù)相對(duì)于基體材料原子的彈性系數(shù)越小,越有利于降低材料的熱導(dǎo)率。當(dāng)相同性質(zhì)和數(shù)量的雜質(zhì)分別以不同的分散度摻入相同的體系內(nèi)以后,模擬發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)放置的越分散,將越有利于阻礙晶格的能量傳遞