LAMMPS新型纳米隔热材料气相导热系数研究(2)
3.3.1 LAMMPS的简单介绍 17
3.3.2 模拟计算 18
4 纳米孔隙氮气的导热率 29
4.1 纳米孔隙中气相导热率的理论计算 29
4.2 模拟结果的分析 33
结论 38
致谢 39
参考文献 40
1 引言
1.1 纳米材料与纳米技术
在材料的世界中，纳米材料是21世纪新型材料的代表，它大大的推动了当今世界经济的发展。纳米材料由于其具有高度的弥散性和大量的界面，因此它为原子提供了短程的扩散途径，从而导致了它具有较高的扩散性，同时对其蠕变性与超塑性也有着显著的影响。它与其他的常规材料相比，具有高强度、低密度、高热膨胀系数、低热导率等等的特点[1]。因此它在我们生活中的各个行业领域都起着十分重要的作用，如制造业、医学界、材料与信息通信以及军事领域等等，并推动着这些行业的发展。我们通常所说的纳米材料主要是指某种物质单元的三文尺寸中，至少有一文尺寸是在纳米级别的，即1nm到100nm之间[1]。当然，这个标准并不是十分的严格，关键是要看物质的固体尺寸到达某一范围时，其物理、化学性质是否发生突变。而纳米技术则主要是指加工精度或者尺寸在上述的范围内的技术的总称。
气凝胶是纳米材料的代表，也是本文所研究的材料。它是一种新型的轻质多孔材料，其固体相和孔隙结构均为纳米量级。也正是因为它的这种特殊的结构，因此它具有特殊的性能，如低密度、高比表面积、高孔隙率、低热导率、低介电常数等[2]。在 气凝胶的各种物理性质中，导热系数是 气凝胶被广泛研究的物理性质之一。它的导热系数与其它常见隔热材料的导热系数相比是最低的，甚至比空气的导热系数还低，可作为高性能隔热材料或高性能隔热材料的组成部分，其应用领域十分广泛[3]。
1.2 微尺度传热
随着器件日益的集成化、小型化，在空间微尺度和时间微尺度条件下的流动和传热问题的研究也就显得越来越重要。1977年国际传热传质中心首次召开了微传热的国际会议，成为微尺度传热这一学科真正成立的标志。此后各地相继建立了关于微尺度研究的学术刊物。现在，微流体和传热器件的商业化进程正处于发展的初期，而且具有广阔的工程应用背景，因此它备受众多领域专家的关注[4]。
当物体的空间尺度微细化后，物体空间中的传热将出现微尺度热效应，同时物体的导热系数也将出现减小的现象，并且很有可能变成绝热体。就目前而言，对于微尺度传热的研究方法主要有玻尔兹曼（Boltzman）方程方法与分子模拟方法。
1.2.1 玻尔兹曼（Boltzman）方程方法
理论分析的方法主要是在玻尔兹曼输运方程（Boltzmann Transport Equation，BTE）的基础上,通过不同形式的BTE，得到微结构下材料的导热率以及温度的分布[5]。Boltzmann方法被普遍认为是目前用来分析在微尺度结构下物体能量运输方法中最普遍、最基本的方法。
BET方程可由下式表示[5]： （1.1）
式(1.1)中， 表示第I层中平衡态声子的强度， 与 表示所研究材料平面方向和法向坐标， 与 分别相对于法向的极坐标， 表示是声子的平均自由程。
由式（1.1）可以看出，BET方程的形式比较简单，但是，它的求解却十分的困难。因为就目前而言，我们虽然对声子间的非简谐运动已经十分的了解，但是对于声子界面的散射等机理并不是完全的清楚。至于对有些稀有材料，因为缺乏实验数据，就不能够利用玻尔兹曼输运方程来对其运输性质进行研究。