多孔性奈米谷碲化鉍材料熱傳導性質研究

Numerical and Model Predictions of the Thermal Conductivity of Porous Bismuth Telluride Nanocanyons

侯奕丞(Yi-Cheng Hou)

指導教授 ： 黃美嬌

國立臺灣大學/工學院/機械工程學研究所/碩士(2014年)

https://doi.org/10.6342/NTU.2014.01815

摘要

本論文主要的研究目的為預測多孔性碲化鉍材料之晶格熱傳導係數，並觀察在多孔性材料中之熱傳導情形，為達成此一目的，我們先利用數值模擬進行研究，再檢驗既有理論模型的可用性及準確性。
所模擬之碲化鉍多孔性材料具有奈米谷(nano Canyons)結構，研究包括其平行及垂直軸向之熱傳現象。因奈米谷結構及孔隙皆為不規則分布，我們乃開發運用非結構性網格的蒙地卡羅模擬工具(Monte-Carlo, MC)，使之能夠模擬聲子在具複雜結構之多孔性材料內的傳輸現象，進而計算出該材料結構之等效熱傳導係數。在求解聲子波茲曼方程式的過程中，本質散射部分採用單一鬆弛時間近似法，而聲子性質則使用灰介質假設。
在理論模型方面，我們首先透過實際模擬取得多孔性材料之平均自由路徑，以此作為顆粒尺寸的特徵值，再利用Chunag & Huang的等效介質近似(EMA)模型及三鍵結滲透理論，得以預測多孔性奈米結構材料垂直軸向之熱傳導係數。至於平行軸向之熱傳導係數，則採塊材觀點，取顆粒並聯後之等效熱傳導係數為理論預測值。
研究發現晶粒與晶粒及晶粒與孔隙間之介面散射為降低熱傳的主因，其中當熱傳主要方向垂直奈米谷軸向時，孔隙影響甚巨，晶粒內靠近孔隙處明顯有較為顯著的溫度梯度;垂直方向之等效熱傳導係數因此較平行軸方向之等效熱傳導係數更低，約只有塊材的一半。另一方面理論模型因未考慮孔隙的分佈方向，故僅能提供孔隙隨機均勻分佈的材料預測，對於本研究之三維奈米谷材料之垂直軸向熱傳能力偏向高估。

關鍵字

多孔性碲化鉍 ； 奈米谷 ； 蒙地卡羅 ； 晶格熱傳導 ； 等效介質近似

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Porous bismuth telluride ； nanoCanyons ； Monte – Carlo ； Lattice thermal conductivity ； Effective medium approximation

參考文獻

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