石墨烯革命:第二部分

Daniel Smith | 2013年 3月 27日

我在之前的一篇博客中曾经介绍过石墨烯的一些奇异特性。石墨烯仅包含单层原子,这意味着任何石墨烯基结构都将有极高的纵横比;而高纵横比的几何也为模拟带来了各种挑战。

石墨烯的传热模拟

COMSOL 提供了多种工具来帮助模拟具有极高纵横比的几何及特征。最近,人们利用 COMSOL 对石墨烯“被子”进行了传热模拟,《Nature Communications》杂志的”用于高功率 GaN 晶体管热管理的石墨烯被子“一文介绍了该研究。论文作者使用 COMSOL Multiphysics 证实,可通过引入由薄层石墨烯 (FLG) 制作的额外散热通道,即顶面导热片,来显著提升 AlGaN/GaN 异质结场效应晶体管 (HEFT) 的局部热管理

COMSOL Multiphysics 的传热接口支持您使用薄层特征特征模拟极高纵横比的组件。这一特征仅求解表面切面处的传热方程,因此免去了在高纵横比层中使用极端细化网络的需求。使用此方法能够极大减少计算时间和内存使用。

薄层特征设定窗口_石墨烯模拟
薄层特征设定窗口。

石墨烯的电气模拟

从 2006 年开始,人们就已经使用 COMSOL 来研究石墨烯的电气特征。在这篇论文中,研究人员使用 COMSOL 来推导石墨烯基复合材料的面内和横向电导率。我们可以很轻松地在 COMSOL Multiphysics 中输入电导率的张量物理量。您仅需提供电导率张量元,它可以是温度或其他任何量的函数。

电流接口中电流守恒特征的设定窗口
可以轻松在电流接口电流守恒特征的设定窗口中指定各向异性电导率。

石墨烯的结构力学模拟

COMSOL 也可以模拟石墨烯的结构力学应用。在这篇论文中,研究人员计算了石墨烯膜在压力差作用下产生的挠度和应变。可通过电气检测到带结构中的变化,这说明它可用于制造超灵敏压力传感器。结构力学模块的接口主要用于薄壁结构中的结构力学分析,因此非常适合此类应用。接口使用 Mindlin-Reissner 类公式,即考虑了横向剪切形变。这意味着我们无须对极薄结构进行网格剖分,就可以获得高精度的结果。

壳接口中材料模型的设定窗口
壳接口中材料模型的设定窗口。

相关示例模型

我们现在已经分析了热学、电气以及力学的模拟概念,您可能在想有什么模型能同时用到所有这些概念。确实有一个,您可以查看案例库中电路板加热模型,如下所示。

电路板加热模型
电路板加热模型演示了热学、电气以及力学模拟概念。

这一多物理场示例模拟了加热电路器件时电热的产生、传热,以及机械应力和变形。模型用到了传热模块固体传热接口,AC/DC 模块电流,壳接口,以及结构力学模块固体力学接口。

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