Phonon Transport Analysis of Thermal Conductivity in Particulate Nanocomposites

Les modèles théoriques ont été présentés pour la prédiction de la conductivité thermique de composites constitués de particules sphériques. Parmi ces modèles, seuls quelques-uns d'entre eux sont en mesure de prédire correctement la conductivité thermique de nanocomposites. La difficulté à modéliser correctement cette propriété physique origine de la différence entre la conductivité de la matrice et des particules à l'état pur par rapport à leurs valeurs respectives dans le composite. En conséquence, la résistance thermique à l'interface entre la matrice et les particules devient une variable importante de la conductivité thermique des matériaux nanocomposites. Dans ce projet, l'analyse de l'échange des phonons thermiques dans les milieux hétérogènes est réalisée et une formule générale de la conductivité thermique effective de nanocomposites est présentée. Dans la première étape du travail, le transport de phonons à l'interface entre la matrice et des nanoparticules est étudié. Cette investigation vise à présenter la résistance thermique sous une nouvelle forme. Les deux types de transport de phonons sur l'interface particule-matrice, soient diffus et spéculaire, sont pris en compte dans le calcul de la conductivité thermique effective pour les nanocomposites particulaires. Dans un deuxième temps, le modèle proposé est évalué en regard de résultats numériques et expérimentaux disponibles dans la littérature. Cette évaluation tend à prouver que le modèle proposé est capable de prédire la conductivité thermique effective pour un large éventail de fractions volumiques et de tailles de particules.

Abstract

Theoretical models have been presented for predicting the thermal conductivity of composites consisting of spherical particles. Among these models, only a few of them are able to predict the thermal conductivity of nanocomposites. This is because the matrix and particle thermal conductivities in nanocomposites are not equal to their bulk values due to increased interface scattering. The boundary scattering becomes important when the characteristic length of the media is smaller than the bulk mean free path of phonons. The thermal boundary resistance at the interface between matrix and suspended particles is affected on the thermal conductivity of nanocomposites. In this work, the phonon viewpoint of heat transport in heterogeneous media is investigated and a general formula for the effective thermal conductivity of particulate nanocomposites is presented. In the first step of this project, the phonon scattering at the interface between matrix and nanoparticles is investigated. This study aims to present the thermal boundary resistance in a new form. Both diffuse and specular types of scattering of phonons on the particle-matrix interface are taken into account in the derivation of the effective thermal conductivity for the particulate nanocomposites. In the next step, the proposed model is evaluated with numerical and experimental results available in literature. This evaluation is done to prove that the proposed model is able to predict the effective thermal conductivity in a wide