近日，课题组研究生在The Journal of Physical Chemistry B期刊发表 “Microscopic Mechanism of Tunable Thermal Conductivity in Carbon Nanotube-Geopolymer Nanocomposites” 研究论文。该工作使用分子动力学模拟方法系统研究了碳纳米管尺寸、含量以及分布对地质聚合物复合材料热导率的影响规律，从声子态密度、声子参与率以及热导率谱分解等角度深入讨论分析了其导热微观作用机理。

地质聚合物是一种绿色环保的无机聚合物材料，由于其具有良好的机械性能、耐化学腐蚀性能以及耐久性能等优点，拓展了它在建筑、航空航天等多个领域的应用。但因其无定形的结构特点，导致在热量输运过程中存在较大的声子散射，使该材料拥有较低的热导率，这极大的限制了它在某些方面的应用，如：地热钻探中使用的灌浆料、熔盐存储系统、核废料涂层等等。这些应用都需要较高的热导率以提高能源的利用效率，同时也可以减少温度梯度从而降低热应力。

图1 碳纳米管-地质聚合物复合材料体系模拟结构图

研究结果表明地质聚合物复合体系存在明显的尺寸效应，热导率随体系长度的增加而增加。对掺杂3.3%碳纳米管的体系而言，当体系长度从34Å增加至135Å时，体系热导率将从2.82 W/(mk)增至5.38 W/(mk)，涨幅达90.8%。除了系统长度外，碳纳米管的含量和热流方向也会对复合材料体系热导率产生很大的影响。当碳纳米管含量为16.5%时，碳纳米管轴向方向的热导率(4.85 W/(mk))比不掺杂碳纳米管体系的热导率(2.15 W/(mk))增长125.6%。而垂直于碳纳米管轴向方向热导率(1.25 W/(mk))会降低41.9%。这主要是由于界面热阻和界面处的声子散射所导致的。对三维碳纳米管体系而言，我们发现当MACH小于某一角度（25.14°）时，碳纳米管对复合材料热导率有促进作用；超过这一角度，碳纳米管的添加反而会降低复合材料热导率。

图2 不同尺寸的碳纳米管-地质聚合物复合材料系统热导率

该工作阐明了碳纳米管在调控地质聚合物热导率方面的物理机制，有助于为地质聚合物材料的工业应用提供理论基础及技术支持。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcb.2c08962

论文的第一作者是上海交通大学中英国际低碳学院2020级硕士研究生刘文凯。