二硫化钼基底上超薄水膜沸腾换热的分子动力学研究

【摘要】：作为一种典型的过渡族金属硫化物(TMDs),层状二硫化钼(MoS_2)具有类石墨烯的晶体结构和特殊的力、电、光和热学特性,有望在集成电路和微纳机电系统中获得广泛应用。然而,将二硫化钼作为换热基底来探究液体沸腾换热的研究并未见公开报道。本文采用分子动力学(MD)方法,对层状二硫化钼基底上液体水膜的蒸发和沸腾现象进行研究,旨在探索在蒸发和沸腾过程中二硫化钼与水分子的相互作用以及相关的传热特性。本文的主要工作如下:首先,介绍了本文的研究背景和微纳尺度沸腾传热的国内外研究现状,并概述了二硫化钼的结构和性质,重点介绍了二硫化钼的热特性;介绍了沸腾传热和润湿特性的基本理论和相关机制,分析了当前研究沸腾传热所使用的一些相关方法,并介绍了本文所采用的分子动力学方法的相关参数及设置方法。然后,详细描述了超薄水膜沸腾换热模型的建模过程,包括两种构型(1T相和2H相)二硫化钼换热基底的建模,水分子模型的选择以及对应液体水膜的建模;然后对分子动力学模拟中使用的各个参数进行设置,重点分析了二硫化钼和水的势函数的选择。最后,采用MD方法,对二硫化钼换热基底上超薄水膜的沸腾换热特性进行仿真分析,并对模拟得到的结果进行定性的水分子相变轨迹分析和定量的热力学量(温度、压力、数密度、净蒸发数和热流密度)分析,探究液体薄膜在二硫化钼基底上的沸腾换热特性以及不同条件对沸腾结果的影响。结果表明2H相二硫化钼基底的传热效果略优于1T相;高的基底热源过热度和水膜内较大的温度梯度可以促进爆炸性沸腾的发生,从而提高相变速率;良好的固-液界面润湿特性能够提高相变的传热效率,且过热度较低时固-液界面的相互作用对沸腾结果的影响大于热源温度的作用。通过本文的研究,揭示了二硫化钼与水分子的相互作用以及层状二硫化钼上水分子沸腾的传热机理,将为基于二硫化钼的传热器件与系统的设计及其表面蒸汽清洗等方面提供理论依据。