熱導
關注創建者：320科技工作室 創建時間：2022-10-09
熱導的視頻教程
基于FLUENT/UDF編寫圓柱電芯各向異性導熱系數
課程主要講解如何使用UDF/FLUENT對pack級圓柱電芯各向異性導熱系數進行批量設置； 第一章主要介紹了如何在fluent設置單體圓柱電芯各個方向的熱導率； 第二章主要介紹圓柱電芯在直角坐標系主方向熱導率的理論推導 第三章逐行講解代碼，幫助學員理清代碼邏輯，并以100個電芯為案例，批量設置導熱系數 希望學員能夠從理論層面理解圓柱坐標系下導熱系數和直角坐標系導熱系數之間的關系，從操作層面能夠看懂代碼
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ABAQUS—U型金屬管熱傳導模擬
基于Abaqus模擬了金屬管的熱傳導過程。U型碳鋼金屬管定義了密度，熱導率，比熱容，金屬端面溫度恒定100℃，并給端面定義了熱流量，初始溫度23℃。可以看做金屬管端面浸于恒溫100的液體，液體熱量傳導到金屬管，引起升溫。
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新能源汽車電池/儲能熱管理結構設計進階到高階-十大專題50個技術點掌握熱結構建模核心能力
課程主要從動力電池熱管理以及儲能熱管理分析10個章節共計42講，來系統得闡述熱結構工程師所需要具備的能力及分析處理辦法，使學員能夠從多角度輕松應對職場挑戰。 第一章從動力電池的應用場景角度，分析電池系統熱管理的重要性，要求及熱管理開發思維導圖分析，詳細的講述了動力電池領域熱結構設計占據的重要地位及人才重視程度等。
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熱導的實例教程
Wu 等人采用重力驅動冰模板法將 CFs 沿水平方向排列并制備了具有同軸向排列的 CFs/EP復合材料，發現當添加 22.3vol%的 CFs，復合材料的熱導率達到 7.98 W/(m·K)，比隨機分散的 CFs 制備復合材料熱導率 0.76 W/(m·K)提高了 950%。
Hou 等人采用定向冷凍技術定向處理 CFs制備了 CFs/PDMS 復合材料，發現添加 12.8vol%的 CFs 時，CFs/PDMS 復合材料熱導率為 6.04W/(m·K)，比隨機分散 CFs 制備的復合材料熱導率1.81 W/(m·K)提升了 233.71%。
根據以上文獻可知，同向排列的 CFs 具有較好的提升復合材料熱導率的效果，這主要是因為CFs 定向后，熱量沿著 CFs 軸向傳遞，使得復合材料的熱導率大幅提升，對比上述數據可知，重力模板法定向 CFs 的效果更好，熱導率提升率更大。除定向外，部分研究人員還通過對 CFs 進行編織來構建導熱通道，提升復合材料的熱導率。
Dong 等人研究了二維機織結構 CFs 增強EP 的熱導率，二維機織復合材料在 3 個正交方向上的熱導率表現出明顯的各向異性。沿 CFs 軸向的熱導率高于 CFs 徑向的熱導率，面內方向的熱導率高于厚度方向的熱導率。
Dong 等人通過有限元分析了三維編織 CFs增強 EP 復合材料熱導率，結果表明：三維編織可提升厚度方向的熱導率，使其高于面內方向的熱導率，熱流主要沿 CFs 軸向傳遞，復合材料的熱導率隨著溫度升高而升高。
Gou 等人用有限元分析了三維編織 CFs 體積分數和內部編織角對 EP復合材料熱導率的影響。復合材料厚度方向和面內方向的熱導率隨 CFs 體積分數的增加而增加，內部編織法向夾角減小導致厚度方向熱導率的增加，面內熱導率降低。
展開 熱導率是材料的基本物理屬性之一，在很多領域起著重要甚至決定性的作用。具有高熱導率的材料常在散熱方面用途廣泛，而具有低熱導率的材料則主要應用于隔熱領域。熱導率的定義以及測量均需要絕熱條件，即材料和環境之間無能量交換，熱量只能沿著材料從高溫傳導至低溫。目前材料熱導率的測試技術已相當成熟，特別針對塊體材料，熱導率相關參數的測量均已有國際和國家標準，以及成熟的商用儀器。
相變是很多材料具有的一項特性。相變材料在固態存儲、光電開關、能量轉換等領域具有廣泛的應用。眾所周知，發生相變時，材料和環境之間存在顯著的能量交換，會與熱量的傳遞強烈耦合。因此，材料相變過程中熱導率的理解和測量顯然不同于絕熱條件下的情形，是一個未知而又非常基礎和重要的科學問題。對該問題的研究有望帶給人們新的認識并推動相關的應用。
特別在現階段，針對材料相變過程中的熱導率，出現了很多不一致甚至完全相對立的理解和實驗數據。例如，Cu2S、Ag2S等具有一級相變，其電性能在相變時不存在拐點，很平滑地從低溫相變化至高溫相，但它們的熱導率卻出現了反常的拐點，在相變時低于低溫相和高溫相的數值；即使對具有二級相變的Cu2Se，采用直接測量的熱容值和杜隆珀替Dulong-Petit理論熱容值分別計算得到的熱導率，在相變區域具有截然相反的變化趨勢。
展開 本文從影響 Si3N4陶瓷熱導率的因素入手，系統總結了制備高熱導率Si3N4 陶瓷的有效燒結助劑，以及新發展的反應燒結-重燒結(Sintering of reaction-bonded silicon nitride,SRBSN)和傳統的氣壓燒結(Gas pressure sintering,GPS)在制備高強高熱導 Si3N4 陶瓷的最新研究進展，最后介紹了 Si3N4 陶瓷基板的介電擊穿強度和覆銅后的性能評價，并對未來的發展方向進行了展望。
01
Si3N4 陶瓷熱導率的影響因素
高熱導的 SiC 和 AlN 陶瓷，在 1973 年被 Slack預測有高的理論熱導率后，僅僅 10 余年的研究熱導率就達到 270 W·m-1K-1。不同于這二者，高熱導 Si3N4陶瓷的研究進展較為緩慢， 這一方面是因為 β-Si3N4 晶粒的棱柱狀形貌增加了研究微結構因素對熱導率影響的難度；另一方面是因為，影響 Si3N4 陶瓷熱導率最關鍵的因素—晶格氧含量，在很長時間里都沒有準確有效的測試方法, 直到 20世紀末，熱氣抽取技術的出現，才解決了這一難題， 使影響Si3N4陶瓷熱導率的多種因素得以澄清。下面將分別介紹微結構、晶格氧含量、稀土氧化物、晶格雜質和缺陷等因素對 Si3N4陶瓷熱導率的影響。
1.1 微結構因素的影響
Si3N4 陶瓷的微結構由 Si3N4 晶粒和顆粒間玻璃相組成，其中Si3N4晶粒又分為等軸狀的基質晶粒和異常長大的長柱狀晶粒。顆粒間玻璃相的熱導率比 Si3N4晶粒低很多，對高熱導率的危害也更大。基于實驗結果， Hirosaki 等得出晶界膜的厚度與晶粒尺寸直接相關， 對 β-Si3N4的熱導率有重要影響。但由于 β-Si3N4的晶粒形貌各向異性， 相關研究一直缺少理論上的支持。
展開 通過第一性原理，該團隊揭示：室溫下β-Si3N4的理論熱導率上限沿c和a軸分別只有169和57 W/mK，并不是之前認為的450 W/mK。此預測不需要依靠擬合參數或經驗勢函數，因此普遍比較準確。通過預測值與多組實驗數據在較寬溫度范圍內的比較，研究者發現之前的實驗中已經達到理論熱導率上限，因此，實驗上繼續提高純度和顆粒大小并不會提高熱導率。作為對照，文中還計算了α-Si3N4，其熱導率沿c和a軸分別為116和87 W/mK。
與其他常用的半導體材料（例如SiC、AlN和GaN）相比，盡管Si3N4 的化學鍵和機械強度相當甚至更強，但其熱導率要低得多。比如SiC熱導率是400-500 W/mK，AlN熱導率是325 W/mK，GaN熱導率是200 W/mK。通過對比SiC和Si3N4的聲子性質，團隊發現Si3N4的較低熱導率是由于其較大的三聲子散射空間和更強的非簡諧性導致了較低的聲子壽命和平均自由程。
此外，團隊發現更大的晶胞（原胞中具有更多的原子）導致的較少聲學聲子占比并不是低熱導率的原因。研究還表明，只有在晶體顆粒尺寸小于1微米時，熱導率才會比較明顯的受到尺寸影響。
本研究揭示了正確的Si3N4理論熱導率的上限，希望能夠對實驗研究有所幫助。研究成果以“Theoretical upper limits of the thermal conductivity of Si3N4”為題發表于《Applied Physics Letters》。
03
圖文導讀
圖1（a）α-和（b）β-Si3N4的聲子色散關系和態密度。
展開 特定運行工況（如極端溫度和倍率）容易造成電池的過早衰減和熱安全問題。深入理解真實世界的電池衰減是提升實際應用中電池壽命、安全性及可靠性的關鍵，依賴于先進的電池傳感技術。多種傳感信號已被用于電池監測，如溫度、壓力、電化學、聲學及光學等，然而，大多數現有傳感技術具有復雜、嵌入式和定性的特點，難以用于長期獲取商業電池的定量衰減信息。
02
成果掠影
近期，南方科技大學曾玉強助理教授課題組在電池傳感領域取得新進展，建立了電池衰減相關的熱導率模型，將電池熱導率作為電池衰減的定量監測指標，提出了一種非嵌入式的電池衰減定量評估手段。在前期工作中，團隊以電極熱導率為傳感信號，基于電極熱導率和鋰離子濃度之間的定量關系，量化了電極厚度方向的熱導率和鋰離子濃度的空間分布。在此基礎上，團隊利用電池熱導率對電池結構變化的強依賴性，將其作為電池衰減的定量指標。根據團隊建立的電池熱導率模型，電池的兩種主要衰減機制對其熱導率有著相反的影響：析鋰會降低負極顆粒與隔膜之間的緊縮熱阻而提高電池熱導率，電解液消耗則會降低流體部分的有效熱導率而降低電池熱導率。基于電池熱導率模型，團隊開發了熱傳感方案，用于電池衰減的非嵌入式監測和定量評估。該方案由電池熱導率模型標定和熱導率實時測量兩部分組成。概念驗證研究表明，由實時測量的熱導率變化及趨勢，可以反推電池衰減源的演變過程，進而定量區分鋰沉積以及與副反應和鋰沉積相關的電解液消耗。以不同熱管理條件下的電池快充為例，高溫抑制了鋰沉積導致的電池衰減，但加速了電解液的消耗，兩種衰減機制之間的平衡決定了電池的最佳運行溫度。
展開 
熱導的最新內容
氣體類型自適應：不同氣體的熱導率等物理性質各不相同，Bronkhorst的很多型號支持“多氣體/多量程”（Multi-Gas/Multi-Range）功能，用戶只需通過軟件切換氣體類型，控制器便會自動調用對應的校準系數（K-factor），無需更換硬件即可實現對不同氣體的精準控制，極大地提升了設備的靈活性和應用范圍。
所以，厭氧培養箱箱中推薦采用荷蘭Xensor 高速響應熱導式氣體傳感器 XEN-5320-HP。
荷蘭Xensor 高速響應熱導式氣體傳感器不銹鋼螺紋型 XEN-5320-HP工作原理: XEN-5320通過測定微型機械加熱元件的溫度提升確定氣體組分。對于各二元氣體混合，升高溫度與加熱功率比取決于氣體混合比。為獲得更佳精度，傳感器已做環境溫濕度修正。
氣體特性：不同氣體的密度、粘度和熱導率差異巨大，例如控制輕質氣體（如氫氣）的響應速度通常會快于重質氣體（如六氟化硫）。
工況條件：工作壓力和溫度的波動會影響氣體的物理狀態，從而改變動態響應，在極低流量下，信噪比降低，系統可能需要更長時間來穩定讀數。
內部算法：先進的PID控制算法能夠優化閥門的調節過程，在追求快速響應的同時避免流量超調，實現平穩、精準的控制。
▲ 圖2 氧化銅（a）與氧化鋁（b）納米顆粒的掃描電子顯微鏡圖像
核心檢測與制備設備
為確保底層物性表征數據的極致精確，本研究依托國高材分析測試中心的高精尖儀器矩陣，主要投入的核心制備與檢測設備包括：
▲ 圖3 場發射掃描電子顯微鏡
▲ 圖4 激光閃射導熱儀
▲ 圖5 旋轉流變儀
結果分析
導熱性能分析
熱導率是評價冷卻液能否有效實施電池熱管理的核心宏觀參量
/熱導率，同樣適用于界面分析
優勢
針對大規模分子動力學仿真進行了優化
提供超過300種經驗經典勢函數（支持組合使用，亦可添加自定義或文獻中的勢函數）
執行高度定制化的力學屬性仿真
系統類型
應用示例
聚合物
功能
構建并平衡聚合物系統
獲取熱機械屬性，如玻璃化轉變溫度、彈性模量及動態模量
延伸閱讀：
橡膠疲勞 ≠ 金屬疲勞：線性疊加-上
橡膠疲勞 ≠ 金屬疲勞：線性疊加-下
挑戰三
熱效應的綜合考量
03
PART
橡膠的粘滯效應以及較低的熱導率使其在循環載荷下容易產生顯著的自生熱和溫度累積。局部溫升不僅會影響材料的力學性能，還可能引發熱失控現象。
使用傅立葉數近似計算初始時間步長：
將Fo設為1，我們得到:
其中К是熱導率，ρ是密度，С是比熱，Δχ是元件尺寸，Δt是時間步長。經過快速計算，初始時間步長大約是1e-3秒。為了獲得足夠的輸出結果，將最大時間步長設為0.05秒。施加循環邊界條件。
質量流量計：https://www.bronkhorst-china.com/
首先需要明確的是：傳統熱式質量流量計通常基于干燥氣體標定，這意味著，當被測氣體中含有水蒸氣或其他濕氣成分時，其實際密度、熱導率等物理性質將發生變化，從而影響傳感器的響應，若未進行修正，可能導致高達數個百分點的測量誤差——這在半導體制造、生物制藥或燃料電池測試等高精度應用中是不可接受的
氣體類型自適應補償
不同氣體具有不同的熱導率或密度特性，Bronkhorst MFC支持多氣體校準（Multi-Gas/Multi-Range功能），用戶可通過軟件選擇不同氣體類型，控制器將自動調用對應的轉換系數（K-factor），實現精準控制，無需更換硬件。
材料模型及多組分輸運增強：新增多種密度、比熱、動力粘度及熱導率模型，覆蓋理想氣體、多項式、分段線性等工程常用形式。完善混合規則與組分質量擴散模型，新增熱擴散支持，強化燃燒、污染物擴散等復雜物理場的耦合求解能力。
DPM模型及VOF優化：支持拉格朗日顆粒軌跡計算，可模擬噴霧、顆粒分離、氣力輸送等工程問題。
