Propriétés thermiques des nanocomposites solide-liquide

Thermal properties of solid-liquid nanocomposites

• Auteur / Autrice : Xiaorui Wang
• Direction : Konstantinos Termentzidis, Séverine Gomès
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Thermique/ Energétique
• Date : Soutenance le 06/10/2022
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône) - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon / CETHIL
• Jury : Président / Présidente : Samy Merabia
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Konstantinos Termentzidis, Séverine Gomès, Samy Merabia, Evelyne Martin, Jérôme Saint-Martin, Gilles Pernot
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Evelyne Martin, Jérôme Saint-Martin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conductivité thermique

Matériaux -- Propriétés thermiques

Mots clés libres

Thermique

Dynamique moléculaire

Conductivité thermique

Silicium nanoporeux

Eau nanoconfinée

Interface solide liquide

Réseaux de liaisons hydrogène

Nanocomposite solide liquide

Silicium cristallin

Thermics

Molecular dynamics

Thermal conductivity

Nanoporous silicon

Nanoconfined water

Solid-Liquid interface

Hydrogen bond networks

Solid-Liquid nanocomposites

Crystalline Silicon

Résumé

Les systèmes hybrides solide-liquide sont largement présents dans diverses applications industrielles. De plus, avec le développement rapide de l'élaboration des nanomatériaux, il est possible de fabriquer une série de matériaux nanostructurés et nanoporeux avec un liquide confiné. Par conséquent, les études expérimentales et théoriques de l'interface solide/liquide et de leurs nanocomposites sont devenues de plus en plus nécessaires. Par rapport à l'échelle macroscopique, leurs propriétés physiques peuvent être considérablement modifiées, par exemple les propriétés thermiques des composites solide-liquide. La thèse est dédiée à l’étude numérique des propriétés thermiques des nanocomposites hybrides solide-liquide, en particulier du silicium cristallin nanoporeux sec et humide avec l'eau confinée. Plusieurs paramètres ont été étudiés en détail avec des simulations atomistiques en utilisant le code de dynamique moléculaire LAMMPS : la conductivité thermique (TC), les densités d’états de phonons, etc. Premièrement, le silicium cristallin avec un pore sphérique au centre est modélisé et étudié. Les cas d'échantillons secs et humides sont comparés. En utilisant les simulations de dynamique moléculaire à l'équilibre (EMD), les effets de la température et de la densité effective initiale sur la TC sont examinés, séparément. Pour une certaine température (à 300 K) ou une certaine densité effective (0,8 g/cm3), une valeur maximale de la TC a été obtenue. De plus, une stratification des molécules d'eau près de l'interface solide/liquide est observée et confirmée dans la littérature. Pour clarifier les mécanismes physiques derrière le transport thermique aux interfaces et l'interaction intermoléculaire de l'eau nanoconfinée, plusieurs paramètres structurels et dynamiques de l'eau nanoconfinée ont été explorés, la fonction de distribution radiale, les déplacements carrés moyens, l'orientation des molécules d'eau et les réseaux de liaisons hydrogène. De plus, l'existence de nouveaux canaux de flux thermique entre une matrice solide et un liquide nanoconfiné a été prouvée, par la densité d'états des phonons. Deuxièmement, les effets de la distribution spatiale, de la taille et de la combinaison espace/taille du silicium nanoporeux humide sont étudiés. La nouvelle cellule de simulation est produite en répliquant le silicium nanoporeux cubique dans la direction longitudinale. Cette partie de l'étude, en raison des demandes de modélisation, a été réalisée en utilisant les simulations de dynamique moléculaire hors-équilibre (NEMD). Cette thèse a contribué à la littérature sur les propriétés thermiques des nanocomposites hybrides solide-liquide et a enrichi l'analyse de l'interface entre un solide et un liquide.

The solid-liquid hybrid systems are extensively present in various industrial applications. Furthermore, with the rapid development of nanomaterials elaboration, it is possible to fabricate series of nanostructured and nanoporous materials with confined liquid. Consequently, the experimental and theoretical studies of the solid/liquid interface and their nanocomposites became increasingly necessary. Compared to the macroscale, their physical properties might be altered considerably, for example thermal properties of solid/liquid composites. In this thesis, the thermal conductivity (TC) of solid-liquid hybrid nanocomposites is investigated, and more specifically for the dry and wet nanoporous crystalline silicon with the confined water. Several parameters have been studied in details. The thermal conductivity is calculated using Molecular Dynamics (MD) simulations, which are performed with LAMMPS. At first, a simulation cell of crystalline silicon with a spherical pore in the center is studied. The cases of dry and wet samples are compared. Using the Equilibrium Molecular Dynamics (EMD) simulations, the effects of temperature and effective density on the TC are examined, separately. I found that for certain temperature (at 300 K) or effective density (0.8 g/cm3), a surprising maximum value of TC was obtained. Furthermore, a stratification of water molecules close to the solid/liquid interface is observed confirming in the literature. To clarify the physical mechanisms behind the thermal transport at solid/liquid interfaces and the intermolecular interaction of nanoconfined water, several structural and dynamical parameters of the nanoconfined water were explored: the radial distribution function, mean square displacements, water molecules orientation, and hydrogen bond networks. Additionally, the existence of new heat flux channels between a solid matrix and a nanoconfined liquid was proved, with clear signatures in the phonon density of states. In the second part of the thesis, the effects of spatial, size and the combined spatial/size distribution of pore on the TC of the wet nanoporous silicon are investigated. The new simulation cell is produced by replicating the cubic nanoporous silicon along the longitudinal direction. This part of the study, due to the modeling requests, has been done using the Non Equilibrium Molecular Dynamics (NEMD) simulations. This thesis contributed to the literature on the thermal properties of solid-liquid hybrid nanocomposites and also enriched the analysis of the interface between a solid and a liquid.