Conductividad térmica en medios granulares

Tesis

Resumen *

Las propiedades a la nanoescala de los materiales pueden tener una gran influencia en su comportamiento macroscópico, por ejemplo, la generación y acumulación de defectos, como defectos puntuales, porosidad e interfases, pueden cambiar sus propiedades térmicas. En esta tesis, estudiamos el papel de una interfase en la conductividad térmica entre dos nanopartículas (NP) de radio R, sin presión externa. Consideramos un sistema sujeto a un gradiente de temperatura perpendicular a la superficie de contacto y estudiamos la conductividad térmica, la conductancia térmica, la resistencia térmica y la resistencia de contacto vs. al tamaño de las nanopartículas. La resistencia térmica en la interfase aumenta linealmente con el radio de contacto de las nanopartículas ac. Un modelo basado en el área de contacto entre dos nanopartículas nos permite explicar razonablemente bien los resultados numéricos obtenidos para la conductividad térmica, caracterizada por una dependencia lineal con (ac /R) lo que lleva a una disminución neta en la conductividad efectiva a medida que aumenta el tamaño de la nanopartícula. Se encontró que la conductancia térmica simulada también era proporcional a (ac /R). Luego, exploramos la influencia de dislocaciones en la interfase. Para ello, estudiamos la conductividad térmica considerando interfases perfectas e interfases con dislocaciones. Encontramos que las dislocaciones aumentan la conductividad térmica, a diferencia de lo que se espera de los modelos y simulaciones en el continuo (bulto), porque aumentan el radio de contacto (ac ) entre NP, en comparación con la interfase perfecta. La conductividad térmica para todos los casos simulados escala bien en función de (ac /R), independientemente de si existen dislocaciones o no. Discutimos modelos para el efecto de las dislocaciones en la conductividad térmica y encontramos que, para nuestras condiciones, solo se puede esperar una pequeña disminución. De acuerdo con estos modelos, encontramos que la conductividad térmica cambia menos del 10% cuando las matrices de dislocaciones localizadas, que abarcan hasta casi diez parámetros de red,se insertan en una muestra bulto, lo que proporciona una prueba más de que las dislocaciones per se no afectan la conductividad térmica significativamente, pero el aumento en el área de contacto que genera el proceso de nucleación, controla el flujo de calor en las nanoestructuras simuladas. La conductancia térmica del contacto sí muestra una disminución para las interfases con dislocaciones. Dado que el contenido de dislocaciones puede modificarse de varias formas mediante las condiciones de síntesis de NP, estos hallazgos pueden ayudar a adaptar la conductividad térmica en paquetes o recubrimientos de NP. Finalmente, dada la disponibilidad del potencial EDIP (por sus siglas en inglés “environment-dependent interaction potential”) para carbono amorfo (aC) gracias a la colaboración con investigadores de Chile, obtuvimos y analizamos la conductividad térmica de nanohilos (NW) de aC con un radio de 2 nm, y nanotubos (NT) de aC con un radio interno de 0,5, 1 y 1.3 nm y un radio externo de 2 nm. El comportamiento de la conductividad térmica con radios internos, temperatura y densidad (relacionados con diferentes niveles de hibridación sp3), se comparó con resultados experimentales en la literatura. Se encontró un acuerdo razonable entre nuestros resultados y experimentos para películas aC. Además, en nuestras simulaciones, la conductividad del bulto es menor que la conductividad del NW, que a su vez es menor que la conductividad del NT. La conductividad térmica de los NT se puede adaptar en función del grosor de la pared, aumentando, sorprendentemente, cuando el grosor de la pared disminuye. Si bien la densidad vibracional de los estados (VDOS) es similar para el bulto, el NW y el NT, el módulo elástico es sensible a los parámetros geométricos, lo que puede explicar el comportamiento observado en la conductividad térmica. Información suministrada por el agente en SIGEVA