h-BN各向异性热膨胀和热输运特性的第一性原理研究

• 作者: 牛波 钟李祥 郝伟 杨治华 段小明 蔡德龙 何培刚 贾德昌 李述周 周玉
• 来源期刊: 中国科学:材料科学(英文版)
• 学科: 工学
• 关键词: 热膨胀系数 六方氮化硼 密度泛函理论 各向异性 玻耳兹曼 体积模量 不一致性 物理原理
• 年，卷（期）: 2021,（4）
• 页码范围: 953-963
• 页数: 11页
• 分类号: TQ1

摘要

热填料的热膨胀系数和热导率是设计热管理和热防护复合材料的关键参考因素.六方氮化硼(h-BN)由于其独特的优点是最常用的热填料之一.但由于不同测试方法和测试样品的不一致性,其热膨胀系数和热导率的精确数值尚不清楚.本文分别用基于密度泛函理论的准谐近似方法和声子玻耳兹曼输运方程理论精确计算了h-BN沿层间和层内方向的热膨胀系数和热导率,通过与已有实验结果的对比验证了计算结果的准确性,并通过对声子行为的分析研究了其基本物理原理.结果表明,h-BN的热膨胀系数沿层内方向为较小的负值,沿层间方向为较大的正值,在300 K时分别为-2.4×10^(-6)和36.4×10^(-6)K^(-1).研究表明,h-BN各向异性的热膨胀系数主要由其各向异性的等温体积模量和低频面外纵向声学支和光学支的振动特性所引起.为了确保h-BN热导率的快速准确预测,本文首次进行了原子间交互作用截断半径和q网格尺寸的收敛性测试.计算结果表明,h-BN平面内的热导率远大于沿平面间方向的热导率,在300 K时分别为286.6和2.7 W m^(-1)K^(-1).声子行为分析表明,由面外纵向声学支、面内纵向声学支和横向声学支的振动特性引起的各向异性声子群速度是造成h-BN各向异性热导率的主要原因.本文的计算结果对h-BN复合材料的设计具有重要的参考价值.