熱導率模擬
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
熱導率模擬的實例教程
在前面的文章中，介紹了非平衡態下石墨烯的熱導率模擬方法，本文介紹第二種熱導率模擬方法：使用平衡態分子動力學（EMD）計算熱導率。
本文仍然以石墨烯熱導率計算為例，以供大家對比參考。
在平衡態下計算熱導率，主要計算公式為Green-Kubo。
用到的主要命令為compute heat/flux。
用法為：
compute myFlux all heat/flux myKE myPE myStress
其中，myKE為原子動能，myPE為原子勢能，myStress為原子應力。
在使用compute heat/flux命令前，必須提前計算出這三個量的值。
下面給出石墨烯EMD熱導模擬代碼，代碼已經注釋。data文件可自己建模，也可加微信sunnyfirst888聯系獲取。
熱導率具體計算方法在集訓營會有詳細介紹，如有需要可微信聯系。
案例代碼
本文作者小馬老師正式推出一對一咨詢輔導服務，根據課題方向不同詳細講解對應的in文件編寫方法、模擬關鍵技術、數據后處理，經一對一咨詢輔導后能夠獨立編寫出in文件。
公眾號:
320科技工作室
展開 02
成果掠影
近期，天津理工大學趙云峰教授、蘇州泰吉諾新材料有限公司李兆強聯合河北工業大學鄧齊波教授在制備具有低表面張力和優異熱導率的LM取得新進展。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用的復合漿料。該團隊研究發現摻雜鎢(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合材料的最終形態，而W納米粒子必須先與LM (LM+W)混合才能得到復合漿料(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合粉末。LM +W-BN的導熱系數高達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定性進行了詳細研究，樣品具有良好的綜合性能。通過在發光二極管(LED)模塊中的應用，LM +W-BN漿料顯示出作為熱界面材料(TIM)的優異熱管理能力。這種方法也被擴展到其他導熱填料，包括碳纖維和石墨烯。這項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合，擴大LM的使用，如集成電路和柔性電子產品。研究成果以“Enhanced thermal conductivity of liquid metal composite with lower surface tension as thermal interface materials”為題發表于《jmr&t Journal of Materials Research and Technology》。
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 目前，對TBG的研究大多集中在電子性質上，對熱輸運性質的研究較少。考慮到單層石墨烯在室溫下具有優異的導熱系數~ 3000-5000 W/mK，并且在熱管理方面具有廣泛的應用，明確其熱傳遞特性如何依賴于扭轉角也是非常重要的。由于雙層石墨烯的扭轉可以產生類似于聲子晶體的第二周期，因此TBG的熱輸運性質應該與扭轉角有關。
雖然熱輸運在TBG已經研究了一段時間，潛在的聲子輸運機制在不同的扭轉角度仍然不清楚。首先，已知的魔角約為1.08度。然而，目前研究熱輸運的實驗和模擬并沒有涵蓋這個角度，而是研究了從0度到30度的大角度步長。因此，導熱系數如何圍繞魔角變化仍然是一個未解決的問題。
02
成果掠影
近期，廣東工業大學熊世云教授聯合南方科技大學李保文教授在研究魔角扭曲雙層石墨烯熱導率取得新進展。
在這項工作中，團隊報告了1.08?附近的異常行為，其中熱導率顯示局部最小值。報道了扭曲雙層石墨烯(TBG)的局部最小導熱系數，這與其他幾個已報道的性質轉變中的“魔角”相對應。在moire晶格的超級單體內，不同的堆疊模式會產生聲子散射，從而降低TBG的導熱系數。熱魔角的產生一方面是原子振動振幅和應力的離散區域，另一方面是AA堆積密度的增加。前者削弱了單個散射體的散射強度，后者增加了散射體的密度。這兩種作用的結合最終導致熱傳導中突出的不規則現象的出現。本文揭示了納米尺度下新的熱機制，進一步揭示了二維材料的獨特物理特性。
研究成果以“Magic angle in thermal conductivity of twisted bilayer graphene ”為題發表于《Materials Today Physics》。
展開 來源 | Applied Physics Letters
原文 | https://doi.org/10.1063/5.0149298
01
背景介紹
熱管理對高集成度和高功率密度電子器件的正常運行至關重要。高性能電子器件運行時會產生大量的熱量，如果不能有效及時地將這些熱量排出，就會導致器件過熱，進而影響性能，甚至損壞器件。優秀的熱管理材料應當同時具備高導熱性能和機械性能，以避免器件過熱或斷裂。
氮化硅（Si3N4）因其獨特的特性在該領域受到廣泛的關注。由于較強的Si-N鍵，Si3N4 陶瓷表現出優異的機械性能，在室溫及高溫下均具有較高的強度和硬度，同時Si3N4 還具有低熱膨脹系數和低密度。優異的機械性能往往伴隨著較高的熱導率，這使其成為具有前景的大功率電子器件基底候選者之一。
熱導率是熱管理中最重要的性質之一。1995 年，Haggerty 和 Lightfoot 根據 Slack 關系預測室溫下β-Si3N4 的本征熱導率為 200至 320 W/mK。2002年，Hirosaki等人借助經驗勢函數，通過分子動力學(MD) 模擬，得到Si3N4的熱導率沿 a 軸和 c 軸分別為170 和 450 W/mK。但目前實驗中所實現的最高熱導率僅為177 W/mK，遠低于上述傳統理論的預測值。實驗學家們普遍將實驗值與理論值的不匹配歸結為實驗樣品中晶格氧、晶相、晶界等雜質或缺陷的存在。因此很多實驗室仍在努力嘗試提高氮化硅的熱導率以達到450 W/mK的理論上限。
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熱導率模擬的最新內容
航天器尾噴管碰撞耦合問題
1) 實際痛點：尾噴管在工作中受高溫氣流沖擊，同時承受隨機振動載荷，易出現結構應力超標、隔熱層脫落等風險；
2) 課程解決方案：教你用 “多物理場（CEL/SPH/ALE）技術”，設置高溫材料屬性（隨溫度變化的彈性模量、熱導率），模擬隨機載荷下尾噴管與隔熱層的碰撞過程，精準計算碰撞應力與振動響應，確保結構安全；
3) 應用成果：學員曾用該方法解決某航天器尾噴管
來源 | Nature Communications
00
背景介紹
鋰離子電池是手機、電動汽車等產品的核心儲能器件。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
利用增強的熱導率近似模擬封閉空間中的自然對流
考慮一個矩形的充氣腔。如果這個空腔的一個側邊的垂直面被加熱，另一側垂直面被冷卻，那么空氣將會有規律地循環。同樣，如果從空腔下方加熱，從上方冷卻，也會有空氣循環。上述兩種情況的模擬結果如下圖所示，這些圖像是通過求解溫度分布和氣流獲得的。
垂直和水平排列的兩個矩形空腔中的自然對流。
來源 | 無機材料學報
作者 | 付師1,2，楊增朝1，李江濤1,2
單位 | 1.中國科學院理化技術研究所 低溫重點實驗室; 2. 中國科學院大學材料與光電研究中心
摘要：隨著以 SiC 和 GaN 為代表的第三代寬禁帶半導體的崛起， 電力電子器件向高輸出功率和高功率密度的方向快速發展， 對用于功率模塊封裝的陶瓷基板材料提出更高的性能要求
來源 | 復合材料學報，知網
作者 | 謝世紅1，高潔*1，寧來元2，鄭可1，馬永1，于盛旺1，賀志勇1
單位 | 1.太原理工大學材料科學與工程學院；2.豐聯科光電（洛陽）股份有限公司
原文 | DOI：10.13801/j.cnki.fhclxb.20230714.001
圖3.PANF-BNNS/EP納米復合材料的熱導率以及傳熱的模擬示意圖。
圖4.PANF-BNNS/EP納米復合材料的熱管理性能。
來源 | Materials Today Physics
01
背景介紹
扭曲雙層石墨烯(TBG)表現出具有較大第二晶格周期性的moire圖。當兩層石墨烯之間的扭轉角達到1.08度時，出現能帶雜交和避免交叉，導致在Dirac點附近形成平坦帶。這種不尋常的行為被稱為“魔角”，導致了在單層或雙層石墨烯中都不常見的新現象。
來源 | ACS Applied Nano Materials
01
背景介紹
隨著電子設備的逐步升級，電子元器件也發生了質的飛躍。它們體積小型化，功能多樣化，功率越來越大，這必然會導致熱量集中，甚至縮短設備壽命，造成設備故障。聚合物具有輕質、電絕緣、柔韌性等優良性能，能夠滿足柔性電子新技術發展的需要。然而，聚合物的低固有熱導率限制了它們在電子領域的應用為滿足散熱需求
來源 | jmr&t Journal of Materials Research and Technology
01
背景介紹
熱管理對于芯片、發光二極管(LED)、5G通信等電子電氣設備的發展至關重要。電子器件產生的熱量必須迅速運走，從而防止設備運行過程中出現故障
來源 | Applied Physics Letters
原文 | https://doi.org/10.1063/5.0149298
01
背景介紹
熱管理對高集成度和高功率密度電子器件的正常運行至關重要。高性能電子器件運行時會產生大量的熱量，如果不能有效及時地將這些熱量排出，就會導致器件過熱，進而影響性能
