ansys材料熱導(dǎo)率的案例
相變過程材料的熱導(dǎo)率
熱導(dǎo)率是材料的基本物理屬性之一，在很多領(lǐng)域起著重要甚至決定性的作用。具有高熱導(dǎo)率的材料常在散熱方面用途廣泛，而具有低熱導(dǎo)率的材料則主要應(yīng)用于隔熱領(lǐng)域。熱導(dǎo)率的定義以及測量均需要絕熱條件，即材料和環(huán)境之間無能量交換，熱量只能沿著材料從高溫傳導(dǎo)至低溫。目前材料熱導(dǎo)率的測試技術(shù)已相當(dāng)成熟，特別針對塊體材料，熱導(dǎo)率相關(guān)參數(shù)的測量均已有國際和國家標(biāo)準(zhǔn)，以及成熟的商用儀器。
相變是很多材料具有的一項(xiàng)特性。相變材料在固態(tài)存儲、光電開關(guān)、能量轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。眾所周知，發(fā)生相變時，材料和環(huán)境之間存在顯著的能量交換，會與熱量的傳遞強(qiáng)烈耦合。因此，材料相變過程中熱導(dǎo)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(chǔ)和重要的科學(xué)問題。對該問題的研究有望帶給人們新的認(rèn)識并推動相關(guān)的應(yīng)用。
特別在現(xiàn)階段，針對材料相變過程中的熱導(dǎo)率，出現(xiàn)了很多不一致甚至完全相對立的理解和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。例如，Cu2S、Ag2S等具有一級相變，其電性能在相變時不存在拐點(diǎn)，很平滑地從低溫相變化至高溫相，但它們的熱導(dǎo)率卻出現(xiàn)了反常的拐點(diǎn)，在相變時低于低溫相和高溫相的數(shù)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(jì)算得到的熱導(dǎo)率，在相變區(qū)域具有截然相反的變化趨勢。
展開 一種具有低表面張力和優(yōu)異熱導(dǎo)率的液態(tài)金屬熱界面材料
02
成果掠影
近期，天津理工大學(xué)趙云峰教授、蘇州泰吉諾新材料有限公司李兆強(qiáng)聯(lián)合河北工業(yè)大學(xué)鄧齊波教授在制備具有低表面張力和優(yōu)異熱導(dǎo)率的LM取得新進(jìn)展。高表面張力使得LM和填料難以很好地混合以制備用于熱界面應(yīng)用的復(fù)合漿料。該團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)摻雜鎢(W)納米粒子可以使LM在氮化硼(BN)丸表面的接觸角從133°降低到105°，表明摻雜W納米粒子可以降低LM的表面張力。LM、W和BN的加入順序會影響復(fù)合材料的最終形態(tài)，而W納米粒子必須先與LM (LM+W)混合才能得到復(fù)合漿料(LM +W-BN)。相比之下，其他添加序列或不添加W納米顆粒只能得到復(fù)合粉末。LM +W-BN的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)14.49 W/(mK)，并對LM +W-BN材料在壓力、高溫、熱沖擊和高濕條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行了詳細(xì)研究，樣品具有良好的綜合性能。通過在發(fā)光二極管(LED)模塊中的應(yīng)用，LM +W-BN漿料顯示出作為熱界面材料(TIM)的優(yōu)異熱管理能力。這種方法也被擴(kuò)展到其他導(dǎo)熱填料，包括碳纖維和石墨烯。這項(xiàng)工作提供了一種簡單的方法來降低LM表面張力，也可能使其他填料的結(jié)合，擴(kuò)大LM的使用，如集成電路和柔性電子產(chǎn)品。研究成果以“Enhanced thermal conductivity of liquid metal composite with lower surface tension as thermal interface materials”為題發(fā)表于《jmr&t Journal of Materials Research and Technology》。
展開 碳纖維/聚合物復(fù)合材料熱導(dǎo)率近十年研究進(jìn)展
Wu 等人采用重力驅(qū)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(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)當(dāng)添加 22.3vol%的 CFs，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率達(dá)到 7.98 W/(m·K)，比隨機(jī)分散的 CFs 制備復(fù)合材料熱導(dǎo)率 0.76 W/(m·K)提高了 950%。
Hou 等人采用定向冷凍技術(shù)定向處理 CFs制備了 CFs/PDMS 復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)添加 12.8vol%的 CFs 時，CFs/PDMS 復(fù)合材料熱導(dǎo)率為 6.04W/(m·K)，比隨機(jī)分散 CFs 制備的復(fù)合材料熱導(dǎo)率1.81 W/(m·K)提升了 233.71%。
根據(jù)以上文獻(xiàn)可知，同向排列的 CFs 具有較好的提升復(fù)合材料熱導(dǎo)率的效果，這主要是因?yàn)镃Fs 定向后，熱量沿著 CFs 軸向傳遞，使得復(fù)合材料的熱導(dǎo)率大幅提升，對比上述數(shù)據(jù)可知，重力模板法定向 CFs 的效果更好，熱導(dǎo)率提升率更大。除定向外，部分研究人員還通過對 CFs 進(jìn)行編織來構(gòu)建導(dǎo)熱通道，提升復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。
Dong 等人研究了二維機(jī)織結(jié)構(gòu) CFs 增強(qiáng)EP 的熱導(dǎo)率，二維機(jī)織復(fù)合材料在 3 個正交方向上的熱導(dǎo)率表現(xiàn)出明顯的各向異性。沿 CFs 軸向的熱導(dǎo)率高于 CFs 徑向的熱導(dǎo)率，面內(nèi)方向的熱導(dǎo)率高于厚度方向的熱導(dǎo)率。
Dong 等人通過有限元分析了三維編織 CFs增強(qiáng) EP 復(fù)合材料熱導(dǎo)率，結(jié)果表明：三維編織可提升厚度方向的熱導(dǎo)率，使其高于面內(nèi)方向的熱導(dǎo)率，熱流主要沿 CFs 軸向傳遞，復(fù)合材料的熱導(dǎo)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?jǐn)?shù)和內(nèi)部編織角對 EP復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響。復(fù)合材料厚度方向和面內(nèi)方向的熱導(dǎo)率隨 CFs 體積分?jǐn)?shù)的增加而增加，內(nèi)部編織法向夾角減小導(dǎo)致厚度方向熱導(dǎo)率的增加，面內(nèi)熱導(dǎo)率降低。
展開 我國科學(xué)家研發(fā)出具有超低熱導(dǎo)率的熱電材料
1月22日，從中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院獲悉，該院固體所物質(zhì)計(jì)算科學(xué)研究室張永勝研究員課題組，在熱電材料低熱導(dǎo)率研究中取得新進(jìn)展，相關(guān)結(jié)果日前發(fā)表在國際著名的《物理評論B》上。
熱電材料可以實(shí)現(xiàn)熱能和電能之間的相互轉(zhuǎn)化，其轉(zhuǎn)換效率可以用無量綱的ZT值來衡量，ZT值越大，熱電轉(zhuǎn)換效率越高。目前報道的熱電材料轉(zhuǎn)換效率較低，尋找具有較低熱導(dǎo)率的材料是提高熱電材料轉(zhuǎn)換效率的一個重要方法。由于礦石材料具有很低的熱導(dǎo)率，并且價格低廉而受到科研人員廣泛關(guān)注，其中兩種同構(gòu)同型的礦石材料CuBiS2和CuSbS2的實(shí)驗(yàn)測量熱導(dǎo)率值差別很大，室溫下CuBiS2的熱導(dǎo)率僅為CuSbS2的1/3，因此探索影響材料低熱導(dǎo)率的物理機(jī)制對設(shè)計(jì)和尋找新材料具有重要意義。
為此，張永勝研究員課題組的科研人員采用密度泛函理論方法，研究了CuBiS2相對于CuSbS2具有較低熱導(dǎo)率的物理機(jī)制。研究表明，CuBiS2和CuSbS2中的Bi和Sb原子都含有孤對電子，而孤對電子會導(dǎo)致材料有較強(qiáng)的非簡諧性，進(jìn)而兩種材料都有較低的熱導(dǎo)率。這種孤對電子和原子振動的協(xié)同作用導(dǎo)致CuBiS2相對于CuSbS2具有更低的熱導(dǎo)率。相關(guān)研究表明，孤對電子和原子振動的協(xié)同效應(yīng)對聲子非簡諧性有著重要影響。
這一研究成果，將為尋求和設(shè)計(jì)具有超低熱導(dǎo)率和高效率的新型熱電材料提供了嶄新的思路。
來源：新材料技術(shù)前沿
傳播最新最全的材料科學(xué)技術(shù)，包括金屬材料成形、熱加工、陶瓷冶金，機(jī)械加工、粉末冶金、表面處理技術(shù)、熱處理、3D打印技術(shù)等相關(guān)材料科學(xué)技術(shù)。提供各種材料科學(xué)的視頻課程、新技術(shù)、專家答疑。
趕緊關(guān)注公眾號吧！
新材料技術(shù)前沿
展開 
孔尺寸的不均勻性顯著降低多孔絕熱材料的熱導(dǎo)率
4.這項(xiàng)研究為開發(fā)超級熱絕緣體提供了新的研究思路。
【引言】
已有研究證明在均勻孔徑的多孔材料體系中，材料的密度或孔隙率會對材料的熱輸運(yùn)能力發(fā)揮關(guān)鍵作用。為了生產(chǎn)超級絕熱材料，研究人員已經(jīng)追求材料的高孔隙度長達(dá)數(shù)十年。最近有研究闡明了如何通過引入不均勻的孔洞進(jìn)一步降低材料熱運(yùn)輸。報道指出，由于多尺度孔徑引起熱傳播路徑曲折導(dǎo)致熱輸運(yùn)性能劣化，因此與具有均勻孔隙度的對照物相比，非均勻孔徑和低孔隙分布會導(dǎo)致多孔介質(zhì)的晶格熱導(dǎo)率顯著降低。此外，對垂直排列的碳納米管陣列的研究顯示出不均勻直徑和長度的分布會誘導(dǎo)聲子散射概率增加及不匹配，能有效降低熱導(dǎo)率。從微觀角度來看，多孔陶瓷材料結(jié)構(gòu)可以簡化為三維立方細(xì)胞晶格，微晶界面間的導(dǎo)熱系數(shù)會對整體的熱傳輸起主導(dǎo)作用。通過實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)一步證實(shí)界面導(dǎo)熱系數(shù)較高的青銅顆粒會顯著提高燒結(jié)多孔青銅材料的導(dǎo)熱性。不均勻的孔徑會大幅限制材料系統(tǒng)中的熱傳遞，因此相關(guān)研究人員正努力揭示孔徑不均勻性對熱量傳輸產(chǎn)生影響的機(jī)制，并設(shè)計(jì)導(dǎo)熱系數(shù)較低的通用多孔材料。
【成果簡介】
北京科技大學(xué)邱琳副教授（第一作者），馮妍卉教授（通訊作者）團(tuán)隊(duì)研究了不均勻孔徑對多孔絕熱材料的影響，在Applied Thermal Engineering上發(fā)表了題為“Inhomogeneity in pore size appreciably lowering thermal conductivity for porous thermal insulator ”的文章。該工作定量評估了孔徑的不均勻性，以解釋多孔材料體系中導(dǎo)熱系數(shù)的減小。通過自行開發(fā)的適應(yīng)性界面熱傳感器技術(shù)，準(zhǔn)確表征了一系列孔隙均勻的微孔泡沫的熱導(dǎo)率，研究表明孔隙率的演化趨勢與典型的均相模型吻合較好。
展開 亞琛大學(xué)、馬普所等《AFM》：平行位錯和柯氏氣團(tuán)可降低熱電材料熱導(dǎo)率！
位錯通過散射聲子在熱輸運(yùn)中起重要作用。然而，對于本質(zhì)上導(dǎo)熱率低的材料（如熱電材料），經(jīng)典模型需要極高數(shù)量的位錯(>10^12cm-2)來進(jìn)一步阻礙熱傳輸。
近日，來自德國亞琛大學(xué)、馬普所、同濟(jì)大學(xué)、美國西北大學(xué)等單位的一項(xiàng)研究工作發(fā)現(xiàn)，在1×10^10 cm-2的中等位錯密度下，Na0.025Eu0.03Pb0.945Te的熱導(dǎo)率顯著降低。通過相關(guān)的顯微技術(shù)來進(jìn)一步表征位錯的（包括它們的排列、取向和局部化學(xué)性質(zhì)），發(fā)現(xiàn)對它們的聲子散射是至關(guān)重要的。電子溝道對比成像揭示了位錯在單個晶粒內(nèi)的均勻分布并且沿著四個<111>方向具有平行線。透射電子顯微鏡顯示平行網(wǎng)絡(luò)是邊緣型的，并且在每組中共享相同的Burgers矢量。原子探針斷層掃描揭示了摻雜鈉在位錯核心的富集，形成柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)。位錯網(wǎng)絡(luò)在透射電鏡原位加熱過程中是穩(wěn)定的。利用卡拉威輸運(yùn)模型，證明了位錯的平行排列和柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)使位錯在聲子散射中更加有效，這兩種機(jī)制為降低隔熱材料的熱導(dǎo)率提供了新的途徑。相關(guān)論文發(fā)表在材料領(lǐng)域頂級期刊Advanced Functional Materials。
展開 鄭州大學(xué)申長雨院士和劉春太教授團(tuán)隊(duì)CSTE: 通過構(gòu)建三維混合填料網(wǎng)絡(luò)提升復(fù)合材料的熱導(dǎo)率
為了表明HDPE-g-MAH對HDPE基體的成功改性，以及填料與基體間較強(qiáng)的界面結(jié)合和均勻的分散狀態(tài)，他們利用TEM和FTIR對復(fù)合材料進(jìn)行表征，結(jié)果表明HDPE-g-MAH對基體改性是成功的，填料在基體中分散均勻，同時，借助加工的高溫條件，填料表面的極性基團(tuán)（羥基，氨基）可與馬來酸酐熱降解產(chǎn)生的羧基進(jìn)行酯化反應(yīng)，進(jìn)而增強(qiáng)界面結(jié)合力。
圖1. 聚乙烯接枝馬來酸酐改性復(fù)合材料的TEM圖（3wt% MWCNTs）：(a) 0 wt%, (b) 10 wt% 和 (c) 30wt% BN, (d, e, f) 選區(qū)放大圖。
圖2. HDPE基體、填料和復(fù)合材料的FTIR光譜。
復(fù)合材料導(dǎo)熱性能測試結(jié)果表明：三元復(fù)合材料由于其內(nèi)部填料之間的協(xié)同作用而具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，當(dāng)BN和MWCNTs含量為30 wt% 和3 wt% 時，導(dǎo)熱率為1.54 W.m-1K-1，相比于基體高262%。
圖3. BN含量對復(fù)合材料 (a) 導(dǎo)熱系數(shù)和 (b) 熱增強(qiáng)因子的影響，(c) 復(fù)合材料表面溫度隨時間的變化情況，(d) 復(fù)合材料平面內(nèi)傳熱的紅外實(shí)時熱成像；(e) 導(dǎo)熱機(jī)理圖。
流變結(jié)果表明，與二元復(fù)合材料相比，三元復(fù)合材料隨著MWCNTs的加入，填料更容易互相搭接形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此儲能模量的平臺區(qū)域在低頻區(qū)更為明顯。同時觀察到在單相基體復(fù)合材料中，儲能模量平臺對應(yīng)Log數(shù)值與導(dǎo)熱系數(shù)有明顯的正相關(guān)線性關(guān)系，但其斜率受MWCNTs含量影響較大。
圖4.
展開 