ansys輸入材料熱導(dǎo)率
關(guān)注創(chuàng)建者：王靖雯 創(chuàng)建時(shí)間：2023-03-08
ansys輸入材料熱導(dǎo)率的實(shí)例教程
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(cè)量均需要絕熱條件，即材料和環(huán)境之間無(wú)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(cè)試技術(shù)已相當(dāng)成熟，特別針對(duì)塊體材料，熱導(dǎo)率相關(guān)參數(shù)的測(cè)量均已有國(guó)際和國(guó)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(chǔ)、光電開(kāi)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(shí)，材料和環(huán)境之間存在顯著的能量交換，會(huì)與熱量的傳遞強(qiáng)烈耦合。因此，材料相變過(guò)程中熱導(dǎo)率的理解和測(cè)量顯然不同于絕熱條件下的情形，是一個(gè)未知而又非常基礎(chǔ)和重要的科學(xué)問(wèn)題。對(duì)該問(wèn)題的研究有望帶給人們新的認(rèn)識(shí)并推動(dòng)相關(guān)的應(yīng)用。
特別在現(xiàn)階段，針對(duì)材料相變過(guò)程中的熱導(dǎo)率，出現(xiàn)了很多不一致甚至完全相對(duì)立的理解和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。例如，Cu2S、Ag2S等具有一級(jí)相變，其電性能在相變時(shí)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(shí)低于低溫相和高溫相的數(shù)值；即使對(duì)具有二級(jí)相變的Cu2Se，采用直接測(cè)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(shì)。
展開(kāi) 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(huì)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(duì)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(guò)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(jiǎn)單的方法來(lái)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(kāi) Wu 等人采用重力驅(qū)動(dòng)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(shí)，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(duì)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(guò)對(duì) CFs 進(jìn)行編織來(lái)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(gè)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(guò)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(duì) 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(kāi) 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(guó)際著名的《物理評(píng)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(wú)量綱的ZT值來(lái)衡量，ZT值越大，熱電轉(zhuǎn)換效率越高。目前報(bào)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(gè)重要方法。由于礦石材料具有很低的熱導(dǎo)率，并且價(jià)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(cè)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(duì)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(duì)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(duì)電子，而孤對(duì)電子會(huì)導(dǎo)致材料有較強(qiáng)的非簡(jiǎn)諧性，進(jìn)而兩種材料都有較低的熱導(dǎo)率。這種孤對(duì)電子和原子振動(dòng)的協(xié)同作用導(dǎo)致CuBiS2相對(duì)于CuSbS2具有更低的熱導(dǎo)率。相關(guān)研究表明，孤對(duì)電子和原子振動(dòng)的協(xié)同效應(yīng)對(duì)聲子非簡(jiǎn)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(lái)源：新材料技術(shù)前沿
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新材料技術(shù)前沿
展開(kāi) 4.這項(xiàng)研究為開(kāi)發(fā)超級(jí)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(huì)對(duì)材料的熱輸運(yùn)能力發(fā)揮關(guān)鍵作用。為了生產(chǎn)超級(jí)絕熱材料，研究人員已經(jīng)追求材料的高孔隙度長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年。最近有研究闡明了如何通過(guò)引入不均勻的孔洞進(jìn)一步降低材料熱運(yùn)輸。報(bào)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(duì)照物相比，非均勻孔徑和低孔隙分布會(huì)導(dǎo)致多孔介質(zhì)的晶格熱導(dǎo)率顯著降低。此外，對(duì)垂直排列的碳納米管陣列的研究顯示出不均勻直徑和長(zhǎng)度的分布會(huì)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(lái)看，多孔陶瓷材料結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為三維立方細(xì)胞晶格，微晶界面間的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)對(duì)整體的熱傳輸起主導(dǎo)作用。通過(guò)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(huì)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(huì)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(duì)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(jiǎn)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(duì)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(píng)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(guò)自行開(kāi)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(shì)與典型的均相模型吻合較好。
展開(kāi) 
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來(lái)源 | 復(fù)合材料學(xué)報(bào)，知網(wǎng)
作者 | 謝世紅1，高潔*1，寧來(lái)元2，鄭可1，馬永1，于盛旺1，賀志勇1
單位 | 1.太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；2.豐聯(lián)科光電（洛陽(yáng)）股份有限公司
原文 | DOI：10.13801/j.cnki.fhclxb.20230714.001
來(lái)源 | jmr&t Journal of Materials Research and Technology
01
背景介紹
熱管理對(duì)于芯片、發(fā)光二極管(LED)、5G通信等電子電氣設(shè)備的發(fā)展至關(guān)重要。電子器件產(chǎn)生的熱量必須迅速運(yùn)走，從而防止設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障
位錯(cuò)通過(guò)散射聲子在熱輸運(yùn)中起重要作用。然而，對(duì)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(cuò)(>10^12cm-2)來(lái)進(jìn)一步阻礙熱傳輸。 近日，來(lái)自德國(guó)亞琛大學(xué)、馬普所、同濟(jì)大學(xué)、美國(guó)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(cuò)密度下，Na0.025Eu0.03Pb0.945Te的熱導(dǎo)率顯著降低。通過(guò)相關(guān)的顯微技術(shù)來(lái)進(jìn)一步表征位錯(cuò)的（包括它們的排列、取向
近年來(lái)，隨著高度集成和小型化電子器件的發(fā)展，聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料可以消散操作過(guò)程中電氣元件產(chǎn)生的熱量，同時(shí)具有易加工、質(zhì)輕、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。然而，聚合物基體本身導(dǎo)熱性能較差，這將嚴(yán)重限制其在高產(chǎn)熱設(shè)備中的應(yīng)用。提高聚合物導(dǎo)熱能力最簡(jiǎn)單可行的方法是添加導(dǎo)熱填料，但單一填料對(duì)其含量要求過(guò)高，這勢(shì)必會(huì)對(duì)復(fù)合材料在加工和性能方面產(chǎn)生消極影響
【亮點(diǎn)】
1.首次揭示了孔徑不均勻性的定量降解效應(yīng)。
2.提出了適應(yīng)性界面?zhèn)鞲衅骷夹g(shù)以確保精確測(cè)量。
3.比較了充足的傳熱模型，以提取不均勻性效應(yīng)。
4.這項(xiàng)研究為開(kāi)發(fā)超級(jí)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(huì)對(duì)材料的熱輸運(yùn)能力發(fā)揮關(guān)鍵作用
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(cè)量均需要絕熱條件，即材料和環(huán)境之間無(wú)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(cè)試技術(shù)已相當(dāng)成熟，特別針對(duì)塊體材料，熱導(dǎo)率相關(guān)參數(shù)的測(cè)量均已有國(guó)際和國(guó)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
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(guó)際著名的《物理評(píng)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(wú)量綱的ZT值來(lái)衡量，ZT值越大，熱電轉(zhuǎn)換效率越高。目前報(bào)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(gè)重要方法。由于礦石材料具有很低的熱導(dǎo)率
