Modeling of Heat Conduction in Hybrid Nanodispersions

Pour une large gamme d'applications en ingénierie, allant des matériaux de conversion de l'énergie thermoélectrique aux matériaux d'interface thermique, la conductivité thermique dans les structures à l'échelle nanométrique fût un sujet intéressant et important à la fois dans la recherche fondamentale et appliquée. La théorie classique de Fourier ne permet pas de d´écrire la conduction thermique dans les matériaux nanostructurés en raison de la négligence des évènements de la limite de diffusion qui jouent un rôle très important dans les structures à l'échelle nanométrique. Le but ultime de ce travail est d'établir un cadre général pour étudier la conductivité thermique dans les nanodispersions. Dans cette thèse, en passant en revue les principes de base du transport des phonons dans les nanostructures, les coefficients de conductivité thermique qui se posent dans la théorie de la chaleur macrosopique de Fourier sont modifiés et rendus applicables pour les nanodispersions. Afin d'adapter la conductivité thermique macroscopique aux besoins de cette étude, l'influence de la limite de diffusion des phonons est prise en compte. La majorité des libres parcours moyens de la matrice et des particules dispersées fournis par la théorie cinétique sont modifiés de façon à capturer les effets de la limite de diffusion. Un bon accord entre les prédictions de nos modèles et les résultats expérimentaux et numériques disponibles a été trouvé. Notre analyse théorique permet de comprendre comment la taille des particules, la fraction volumique des particules dispersées, leur forme, les propriétés de l'interface particule-matrice, et l'agglomération des particules influencent la conductivité thermique des nanodispersions. Nous étudions également les nanodispersions hybrides dans lesquelles les particules en suspension sont de différents types (par exemple, des nanofils et des nanosphères). Notre modèle montre que la conductivité thermique augmente à mesure que la spécularité de l'interface augmente. Pour la dispersion de particules anisotropes, l'influence de l'orientation des particules sur la conductivité thermique est mise en évidence.

Abstract

For a wide range of engineering applications, ranging from thermoelectric energy conversion materials to thermal interface materials, the thermal conductivity in nanoscale structures has been an interesting and an important subject in both fundamental and applied research. The classical Fourier theory is not able to describe the heat conduction in nanostructured materials due to the neglect of boundary scattering events that play a very important role at nanoscale structures. The ultimate purpose of this work is to establish a general framework for studying the thermal conductivity in nanodispersions. In this dissertation, by reviewing the fundamentals of the phonon transport in nanostructures, the heat conductivity coefficients arising in macroscopic Fourier heat theory are modified and made applicable for nanodispersions. In order to adapt the macroscopic thermal conductivity for the purpose of this study, the influence of the phonon-boundary scattering is taken into account. The phonon mean free paths in both the matrix and the dispersed particles, that is provided by kinetic theory, are modified in a way to capture the boundary scattering effects. A good agreement between predictions of our models and available experimental and numerical results is found. Our theoretical analysis helps to understand how the particle size, the volume fraction of dispersed particles, their shape, the particle-matrix interface properties, and the particle agglomeration influence the thermal conductivity of nanodispersions. We also investigate hybrid nanodispersions in which the suspended particles of are of different types (for example nanowires and nanospheres). Our model shows that the thermal conductivity increases as the specularity of interface increases. For dispersion of anisotropic particles, the influence of particle orientation on the thermal conductivity is highlighted. When more nanoparticles are oriented in the direction of the heat flux, a higher thermal conductivity is expected due to smaller area on which the phonon-boundary scattering takes place.