不規則奈米顆粒複合物熱傳導性質研究

Abstract

本論文主要的研究目的乃是了解並預測奈米顆粒複合物之晶格熱傳導係數隨顆粒尺寸及成分比例變化之情形。為了此一目的，我們分別從數值模擬及理論兩方面提出及建立預測工具，兩者並互相驗證以確定其可靠度及準確性。 數值方面我們使用沃羅諾伊圖來建立具有不規則多面體奈米顆粒之複合物的3D數值模擬模型，以求更接近真實材料。為了能夠模擬如此複雜的不規則結構，我們開發運用3D非結構性網格的聲子蒙地卡羅模擬工具 (MC)，使之能夠模擬聲子在具複雜結構之材料內的傳輸現象，並進而計算出材料的等效熱傳導係數。此蒙地卡羅法在本質散射部分使用單一鬆弛時間近似法，而在聲子性質上則使用灰介質假設。 在理論方面，我們首先提出一種EMA理論模型，其能用來預測鑲嵌奈米顆粒之複合材料之等效熱傳導係數，該奈米顆粒濃度可為任意值；而當顆粒濃度為100%時，即複合物完全由單一材料製成的顆粒所組成。接著我們將此EMA模型與三鍵結滲透理論結合，可用來預測由兩種不同材料的奈米顆粒混合而成之複合物其熱傳導係數隨成分比例之變化情形。 文中以純矽、純鍺、及混合矽鍺奈米顆粒複合物進行探討驗證。結果顯示理論模型及MC模擬之預測非常吻合，其中又以使用介面密度來定義之等效顆粒直徑所得到的理論值與模擬結果最為吻合，這也驗證了介面密度主導了奈米複合物熱傳導係數這一論點。惟目前理論模型與模擬工具皆尚未能考慮聲子散射率及介面穿透率的頻率相依性，故僅適用於顆粒等效直徑小於聲子淨平均自由路徑或熱傳主要由短平均自由路徑之聲子所貢獻時之材料預測上。