聚合物纳米线导热的低维效应研究

聚合物纳米线作为一种新型纳米线在纳米科技和微纳尺度传热领域具有广阔的应用前景，其导热性质及其低维效应研究既是其中的关键问题也是一个新课题。本项目拟采用飞秒激光热反射法实验测量典型聚合物纳米线的导热性质数据，获得其热导率受尺寸和微观结构（分子链取向度）影响的尺寸和低维效应，结合分子动力学模拟和声子动力学理论获得聚合物纳米线及分子链导热的晶格动力学微观特征，探索其导热的低维效应机制和规律，在对比实验结果的基础上建立聚合物纳米线导热性质的分析模型，进一步提出并实现采用热流体机制增加聚合物纳米线内的分子链取向度从而通过强化低维效应来提高聚合物纳米线热导率的方法。本项目的研究将为聚合物纳米线的导热性质及其低维效应提供基本的数据资料和分析模型，提出的通过强化低维效应提高纳米线热导率的方法对其它低维结构材料的导热性质和热功能化研究也具有重要的借鉴意义。

本项目严格按照原研究计划执行，通过和香港理工大学、西北工业大学、北京大学等单位合作，取得的成果有：（1）开发了一种纳米注塑（纳米孔模板浸润）技术，成功制备了直径为100nm和200nm的高密度和低密度聚乙烯纳米线阵列；（2）采用纳秒激光闪光法测量了制备的纳米线阵列的热导率，发现制备的纳米线阵列的热导率在10W/mK左右，比体材料的热导率高2个数量级以上；（3）采用分子动力学模拟和声子动力学理论研究了聚合物分子链的导热，发现其热导率随长度的增加而增大，宏观材料中定向分子链的热导率可以达到1000W/mK量级；（4）分子动力学模拟揭示出聚合物单链中的导热是以弹道输运为主导的，聚合物纳米线中分子链定向度的提高增强了导热的弹道输运，揭示了纳米线阵列热导率提高的机制；（5）研究了聚合物熔体在纳米通道内的流动行为，证明聚合物熔体在纳米孔中的流动仍然符合经典的LW方程，同时发现纳米孔约束导致聚合物熔体的粘度下降约1个数量级；（6）制备的聚合物纳米线阵列同时具备超疏水性，实验测试了水在聚合物纳米线阵列表面的接触角，该阵列在微流体和抑冰等领域具有潜在的应用前景。