清華大學曹炳陽老師——HEG小組2023年成果集錦

熱管理博覽會

2024年1月11日 09:42

課題組介紹

負責人

曹炳陽，清華大學航天航空學院教授，院長，國家杰青，國際先進材料學會Fellow，亞洲熱科學聯合會Founding Fellow，美國工程科學學會Fellow。曾獲得教育部新世紀優秀人才支持計劃、中國工程熱物理學會吳仲華優秀青年學者獎、教育部自然科學一等獎、國際先進材料學會IAAM Medal、愛思唯爾高被引學者獎等榮譽。擔任國防173重點項目首席科學家、國際傳熱大會常務理事會理事、國際傳熱傳質中心科學理事會理事、亞洲熱科學與工程聯合會秘書長、中國航空教育學會常務理事、中國復合材料學會導熱復合材料專業委員會副主任、中國工程熱物理學會理事、中國工程熱物理學會傳熱傳質專業委員會委員、中國熱管理產業技術創新戰略聯盟理事、中國航空學會燃燒與傳熱專業委員會委員、中國宇航學會空間能源專業委員會委員等學術職務。主要研究領域為微納尺度傳熱、熱功能材料及電子系統熱管理，主持國家自然科學基金、國家重點研發計劃、國家重大科技專項等三十多項課題，迄今發表SCI學術論文190余篇，擔任ES Energy & Environment主編，Journal of Physics: Condensed Matter、Materials、Scientific Reports等9個國際期刊編委。

研究團隊

喻志強：主要研究方向為微通道散熱器中的流體和傳熱特性及其優化。

張旭東：主要研究方向為液態金屬傳熱、先進電子冷卻、電磁流體動力學和智能熱管理技術。

李書楠：主要研究方向為信息處理裝置中的傳熱和低維材料中的傳熱。

劉源斌：主要研究方向為是機器學習力場的開發和復雜材料的原子建模。

冉鑫：主要研究方向為多尺度熱傳遞、界面傳遞、數值方法的發展、電子學和熱電學的熱管理。

羅丁：主要研究方向主要集中在熱電技術及其應用。

研究領域

1：微/納尺度的傳熱物理

2：微/納結構的熱物理性質-數值模擬

3：微/納結構的熱物理性質-實驗測量

4：晶體管和IC的熱管理和可靠性

5：熱功能材料及熱管理器件

6：芯片的液冷微通道冷卻技術

成果集錦

題目：Three-sensor 2ω method with multi-directional layout: A general methodology for measuring thermal conductivity of solid materials

簡介：各向異性熱傳遞在傳熱理論研究和工程實踐中都占有重要地位，但準確測量各向異性導熱系數仍然是一個重大挑戰。為了解決這個問題，該文提出了三傳感器2ω方法，該方法能夠精確測量各向同性或固體材料各向異性的導熱性。為了驗證其準確性和可靠性，采用Si、GaN、AlN等四種典型單晶半導體和β-Ga2O3，測量結果與文獻一致。該方法將提供一個全面和通用的解決方案的熱導率測量固體材料。

題目：Performance investigation and design optimization of a battery thermal management system with thermoelectric coolers and phase change materials

介紹：為了保證電池的溫度工作環境，該工作開發了一種新型的電池熱管理系統(BTMS)集成了熱電冷卻器(TEC)和相變材料(PCMs)，其中采用翅片框架來加強傳熱。通過建立一個瞬態熱電流體采用多物理場數值模型，對兩種情況下BTMS的熱性能進行了深入研究。本文的研究進展有助于對電池熱管理提供的新見解和思路。

題目：Numerical investigation of a battery thermal management system integrated with vapor chamber and thermoelectric refrigeration

介紹：高效的電池熱管理系統是保證電池工作溫度環境的關鍵。本文提出了一種新型的電池熱管理系統為了改善電池的熱性能，提出了蒸汽室和熱電冷卻器。結果表明，采用熱電冷卻器和熱電冷卻器蒸汽室可以大大降低電池的最高溫度和溫差。本研究介紹了高效電池熱管理的新視角，提供了詳細的深入了解熱電冷卻在這方面的應用。

題目：Observation of ballistic-diffusive thermal transport in GaN transistors using thermoreflectance thermal imaging

介紹：為了開發有效的氮化鎵(GaN)晶體管的熱管理策略，必須準確地預測器件結溫。由于器件中產生熱量的寬度與氮化鎵的聲子平均自由程(MFPs)相當，因此存在聲子彈道輸運，并且可以顯著影響熱傳遞端口過程，這就需要深入了解氮化鎵晶體管中聲子彈道效應的影響。結果表明，隨著熱源尺寸的減小，與聲子MFP相當的熱源尺寸的彈道效應顯著增強，從而導致更高的熱點溫度。結果強調了多尺度模擬和高分辨率實驗對精確預測器件結溫的必要性。

題目：Million-scale data integrated deep neural network for phonon properties of heuslers spanning the periodic table. npj Computational Materials

介紹：預測晶體聲子特性的現有機器學習潛力通常局限于材料到材料的基礎上，主要是由于模型復雜性與原子種類數量的指數縮放。我們利用開發的元素空間密度神經網絡力場解決了這一瓶頸。通過對元素周期表中55個元素的11,866個全、半和四元Heusler結構的完整聲子性質的預測，證明了我們的element - sdnnff方法的有效性和精度。

題目：New insights into the heat capacity enhancement of nano-SiO2 doped alkali metal chloride molten salt for thermal energy storage: A molecular dynamics study

介紹：熔鹽及其基納米流體是聚光太陽能發電系統中重要的傳熱和儲熱介質。為了提高CSP電廠的整體效率，盡可能提高熔鹽比熱容是很重要的。在熔鹽中摻入納米材料，提高熔鹽的比熱容；然而，納米顆粒在熔鹽中摻雜提高比熱容的機理尚不清楚。在這項工作中，首先推導了堿金屬氯化物熔鹽(KCl, NaCl, LiCl)的參數，并對其進行了驗證。通過分子動力學(MD)模擬研究了純熔鹽的比熱容、粘度、自擴散系數以及含SiO2納米顆粒的熔鹽基納米流體的比熱容。本研究結果為進一步研究更高效的熔鹽納米復合材料提供了重要的基礎。

題目：Molecular dynamics study on the kinematic viscosity, density and structure of fuel blends containing n-decane and biofuel compound of ethyl decanoate or ethyl dodecanoate

介紹：生物航空燃料是由航空煤油和生物燃料混合而成的一種清潔的可再生能源，近年來受到了廣泛的關注。然而，對含脂肪酸酯生物航空燃料熱物理性能的數值研究仍然有限。本文采用分子動力學(MD)方法研究了正癸烷燃料與癸酸乙酯或十二癸酸乙酯生物燃料混合物的運動粘度和密度，并與UNFACC-VISCO(UV)理論模型計算的粘度和密度進行了比較。與COMPASS模型和UV模型相比，應用PCFF力場(FF)的MD結果可以很好地再現燃料混合物的實驗數據。

題目：Efficient optimization of parallel micro-channel heat sinks based on flow resistance network model

介紹：電子冷卻是影響電子技術發展的關鍵問題。并聯微通道散熱器(PMCHS)廣泛應用于電子器件的冷卻。然而，現有的優化方法無法有效地設計三維液冷PMCHSs，阻礙了高功率和體積縮小電子產品的熱管理。本文采用流動阻力網絡(FRN)模型對三維液冷PMCHSs進行結構優化。基于FRN模型的PMCHSs結構優化方法避免了現有優化方法中系統參數的多次迭代，顯示了其在電子器件高效熱管理方面的潛力。

題目：A comprehensive hybrid transient CFD-thermal resistance model for automobile thermoelectric generators

介紹：本文提出了一種綜合的混合瞬態CFD -熱阻模型來預測汽車熱電發電機(ATEG)系統的動力學行為。該模型考慮了溫度依賴性、熱電模塊的拓撲連接和動態特性，具有精度高、計算時間短的優點。利用瞬態排氣熱作為熱源輸入，確定并徹底檢查了ATEG系統的動態行為。實驗驗證了模型的正確性，輸出電壓和出口溫度的平均偏差分別為7.70%和1.12%。該模型可方便地評估不同拓撲連接下的ATEG系統的動態行為，為評估ATEG系統的動態行為提供了一種新的工具。

題目：Dynamic behaviour of automobile thermoelectric waste heat recovery under different driving cycles

介紹：不同類型的車輛經常在不同的行駛循環中運行，從而導致汽車熱電發電機的動態行為不同。采用CFD-TE混合瞬態模型，對簡化后的汽車熱電發電機在HWFET、NEDC、WLTP和CLTC等不同工況下的動態性能進行了評價，以指導汽車熱電余熱回收的應用。通過對穩態和動態結果的比較，發現穩態模型高估了輸出功率，但可能低于對轉換效率的估計。汽車熱電發電機更適合于在城市和郊區道路上行駛的乘用車等變速頻繁的車輛，以增強動力輸出性能。

題目：Realizing ultrahigh ZT value and efficiency of the Bi2Te3 thermoelectric module by periodic heating

介紹：熱電發電被認為是一種很有前途的廢熱發電技術。本研究旨在解決熱電模塊轉換效率低的問題，并引入一種新型周期加熱方法來提高其性能。引入了時間平均ZTta值和有效轉換效率兩個新的指標來評價熱電模塊的動態性能。研究采用n型Bi2Te3-xSex和p型BixSb2-xTe3材料的Bi2Tte3基熱電模塊在設計的瞬態實驗裝置上進行實驗。本工作為提高熱電模塊輸出性能提供了一種新的周期性加熱方法，可促進熱發電技術的更廣泛應用。

題目：Speed limits to information erasure considering synchronization between heat transport and work cost

介紹：隨著信息技術的飛速發展，信息處理系統中的熱傳遞問題引起了人們極大的關注，但它們的同步問題迄今尚未得到研究。我們研究了一維維傅里葉熱傳輸與非準靜態信息擦除的功成本同步的情況。在工程上，由穩態溫度分布施加的速度限制可以理解為伴隨溫度穩定的性能限制，它定量地揭示了溫度穩定的成本。

題目：Topology optimization for near-junction thermal spreading of electronics in ballistic-diffusive regime

介紹：電子設備中的熱會導致過熱并降低性能。提高散熱能力是降低器件溫度提高可靠性的關鍵。然而，隨著器件的縮小，聲子彈道效應會增加熱阻，使傳統的優化方法不那么有效。本文提出了一種拓撲優化方法，該方法將聲子玻爾茲曼輸運方程與固體各向同性材料結合起來對熱擴散問題中的高導熱材料分布進行優化。結果表明收縮 -膨脹結構能有效降低熱阻。這項工作加深了對熱擴散的理解，有助于微電子芯片的熱優化。

題目：Mode-resolved phonon transmittance using lattice dynamics: Robust algorithm and statistical characteristics

介紹：晶格動力學(LD)能夠計算聲子通過界面的模式分辨透射率，這對于理解和控制熱邊界電導(TBC)至關重要。然而，由于缺乏節能約束，原始的LD方法可能產生超過100%的非物理透射電阻率。在這里，我們提出了一種魯棒的LD算法，該算法利用線性代數變換和投影梯度下降迭代來確保能量守恒。這項工作提供了對界面模式分辨聲子透過率的全面認識，為進一步研究TBC的機制及其與原子結構的關系鋪平了道路。

題目：Hybrid Monte Carlo-diffusion studies of modeling self-heating in ballistic-diffusive regime for GaN HEMTs

介紹：準確評估自熱對電子器件的熱管理具有重要意義，特別是在全面考慮跨尺度導熱過程的情況下。現有的模擬方法要么基于對流傅立葉定律，要么局限于小系統尺寸，難以有效處理非連續熱輸運問題。本文采用混合聲子蒙特卡羅擴散法預測了彈道擴散狀態下的器件溫度。這項工作為電子設備中跨尺度傳熱的快速和廣泛的熱模擬開辟了機會。

題目：Bias dependence of non-Fourier heat spreading in GaN HEMTs

介紹：本文采用計算機輔助設計(TCAD)和聲子蒙特卡羅(MC)模擬相結合的方法，研究了氮化鎵(GaN)高電子遷移率晶體管(hemt)的自加熱問題。仿真結果表明，通道中偏置相關的熱生成會同時對熱擴散過程和聲子彈道效應產生顯著影響。在雙熱源模型的基礎上，我們提出了一個考慮偏置相關聲子輸運的雙導熱模型來預測HEMT中器件結溫。該模型易于與基于有限元法的熱分析相結合，無需耗時的多尺度電熱模擬。

題目：Near-junction phonon thermal spreading in GaN HEMTs: A comparative study of simulation techniques by full-band phonon Monte Carlo method

介紹：精確的熱模擬對于GaN HEMTs的近結熱管理和電熱協同設計至關重要。雖然已經采用了各種方法來模擬GaN中的聲子熱傳輸端口，但尚未對其性能和可靠性進行全面評估。在這項工作中，基于第一性原理的穩態全波段聲子跟蹤蒙特卡羅(MC)模擬研究了GaN hemt的熱擴散阻力。全頻帶MC的結果作為一個標準，對三種廣泛使用的模擬GaN中近結聲子輸運的方法的適用性、準確性和計算效率進行了徹底的檢驗。比較突出直接將第一性原理計算的聲子性質納入器件熱模擬的重要性，并且本文可以更清楚地了解GaN中的近結熱輸運，并且可以用于GaN基器件的熱模擬。

題目：Three-sensor 3ω-2ω method for the simultaneous measurement of thermal conductivities and thermal boundary resistance in film-on-substrate heterostructures

介紹：由襯底和外延膜組成的固體異質結構廣泛應用于先進技術中，其熱物理性質從根本上決定了相應器件的性能、效率和可靠性。然而，真正適用于固體異質結構熱物性測量的實驗方法仍然缺乏。為此，提出了一種3ω-2ω的方法，該方法可以在不需要任何參考樣品的情況下同時測量單一固體異質結構中薄膜和襯底的導熱系數以及薄膜-襯底熱邊界電阻(TBR)，具有廣泛的適用性，適用于薄膜厚度為100 nm至10 μm的各種異質結構。為了驗證這一方法，測量了兩種典型的寬帶隙半導體異質結，即GaN on SiC 和GaN on Si， GaN薄膜為~ 2.3 μm。推導了GaN薄膜的導熱系數、SiC和Si襯底的導熱系數以及GaN/襯底的總熱阻比，結果與文獻一致。該方法將為各種固體異質結構的熱物性測量提供一個全面的解決方案。

題目：Pulsed thermoreflectance imaging for thermophysical properties measurement of GaN epitaxial heterostructures

介紹：由襯底和外延膜組成的多層異質結構廣泛應用于先進的電子器件中。然而，熱瓶頸制約了它們的性能和可靠性，迫切需要有效的方法來全面測量異質結構的熱物理性質。本文提出了一種將熱反射熱成像的瞬態溫度成像與瞬態脈沖激勵相結合的脈沖熱反射成像(PTI)方法。通過三次瞬態測試，可以同時測量異質結構樣品的六種熱物理性質，包括薄膜導熱系數和比熱容、襯底導熱系數和比熱容、薄膜-襯底熱邊界電阻和絕緣層等效導熱系數。為了驗證該方法的準確性和可靠性，我們對GaN-on-SiC異質結構樣品進行了測量，并獲得了與先前報道的代表性文獻數據一致的熱物理性質。該方法靈敏度高，對GaN外延異質結構的綜合熱物性表征具有良好的效率和可靠性。

題目：Thermal interface materials with high thermal conductivity and low Young’s modulus using a solid–liquid metal codoping strategy

介紹：熱界面材料(TIMs)作為典型的熱功能材料，對其具有高導熱系數和低楊氏模量的要求很高。然而，熱性能和力學性能的自然同步變化嚴重阻礙了高性能TIM的發展。為了解決這一難題，本研究提出了固體填料和液態金屬填料在聚合物襯底中共摻雜的策略。以55%鎵基液態金屬和15%銅顆粒為填料的典型TIM的導熱系數為3.94 W/(m·K)，楊氏模量為699 kPa，與液態金屬和固體填料摻雜的TIMs相比，具有最大的熱力學性能系數。固體填料和液態金屬填料的協同效應為解決復合材料力學性能和熱性能的經典權衡問題提供了廣闊的空間。

題目：Unraveling thermal transport correlated with atomistic structures in amorphous gallium oxide via machine learning combined with experiments

介紹：非晶材料的熱輸運特性對其在能源和電子器件中的新興應用至關重要。然而，理解和控制無序材料中的熱輸運仍然是一個突出的挑戰，由于計算技術的內在局限性和缺乏復雜原子結構的物理直觀描述符。本文展示了如何結合基于機器學習的模型和實驗觀察可以幫助準確地描述無序材料的現實結構、熱輸運性質和結構-性質圖，這是通過氧化鎵的實際應用來說明的。這項工作可能為未來加速探索無序功能材料中的熱輸運性質和機制提供啟示。