熱導(dǎo)率模擬的案例
lammps案例：石墨烯熱導(dǎo)率模擬計(jì)算（EMD方法)
在前面的文章中，介紹了非平衡態(tài)下石墨烯的熱導(dǎo)率模擬方法，本文介紹第二種熱導(dǎo)率模擬方法：使用平衡態(tài)分子動(dòng)力學(xué)（EMD）計(jì)算熱導(dǎo)率。
本文仍然以石墨烯熱導(dǎo)率計(jì)算為例，以供大家對比參考。
在平衡態(tài)下計(jì)算熱導(dǎo)率，主要計(jì)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(dòng)能，myPE為原子勢能，myStress為原子應(yīng)力。
在使用compute heat/flux命令前，必須提前計(jì)算出這三個(gè)量的值。
下面給出石墨烯EMD熱導(dǎo)模擬代碼，代碼已經(jīng)注釋。data文件可自己建模，也可加微信sunnyfirst888聯(lián)系獲取。
熱導(dǎo)率具體計(jì)算方法在集訓(xùn)營會(huì)有詳細(xì)介紹，如有需要可微信聯(lián)系。
案例代碼
本文作者小馬老師正式推出一對一咨詢輔導(dǎo)服務(wù)，根據(jù)課題方向不同詳細(xì)講解對應(yīng)的in文件編寫方法、模擬關(guān)鍵技術(shù)、數(shù)據(jù)后處理，經(jīng)一對一咨詢輔導(dǎo)后能夠獨(dú)立編寫出in文件。
公眾號(hào):
320科技工作室
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(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 魔角扭曲雙層石墨烯熱導(dǎo)率的研究
目前，對TBG的研究大多集中在電子性質(zhì)上，對熱輸運(yùn)性質(zhì)的研究較少。考慮到單層石墨烯在室溫下具有優(yōu)異的導(dǎo)熱系數(shù)~ 3000-5000 W/mK，并且在熱管理方面具有廣泛的應(yīng)用，明確其熱傳遞特性如何依賴于扭轉(zhuǎn)角也是非常重要的。由于雙層石墨烯的扭轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生類似于聲子晶體的第二周期，因此TBG的熱輸運(yùn)性質(zhì)應(yīng)該與扭轉(zhuǎn)角有關(guān)。
雖然熱輸運(yùn)在TBG已經(jīng)研究了一段時(shí)間，潛在的聲子輸運(yùn)機(jī)制在不同的扭轉(zhuǎn)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(yùn)的實(shí)驗(yàn)和模擬并沒有涵蓋這個(gè)角度，而是研究了從0度到30度的大角度步長。因此，導(dǎo)熱系數(shù)如何圍繞魔角變化仍然是一個(gè)未解決的問題。
02
成果掠影
近期，廣東工業(yè)大學(xué)熊世云教授聯(lián)合南方科技大學(xué)李保文教授在研究魔角扭曲雙層石墨烯熱導(dǎo)率取得新進(jìn)展。
在這項(xiàng)工作中，團(tuán)隊(duì)報(bào)告了1.08?附近的異常行為，其中熱導(dǎo)率顯示局部最小值。報(bào)道了扭曲雙層石墨烯(TBG)的局部最小導(dǎo)熱系數(shù)，這與其他幾個(gè)已報(bào)道的性質(zhì)轉(zhuǎn)變中的“魔角”相對應(yīng)。在moire晶格的超級(jí)單體內(nèi)，不同的堆疊模式會(huì)產(chǎn)生聲子散射，從而降低TBG的導(dǎo)熱系數(shù)。熱魔角的產(chǎn)生一方面是原子振動(dòng)振幅和應(yīng)力的離散區(qū)域，另一方面是AA堆積密度的增加。前者削弱了單個(gè)散射體的散射強(qiáng)度，后者增加了散射體的密度。這兩種作用的結(jié)合最終導(dǎo)致熱傳導(dǎo)中突出的不規(guī)則現(xiàn)象的出現(xiàn)。本文揭示了納米尺度下新的熱機(jī)制，進(jìn)一步揭示了二維材料的獨(dú)特物理特性。
研究成果以“Magic angle in thermal conductivity of twisted bilayer graphene ”為題發(fā)表于《Materials Today Physics》。
展開 氮化硅(Si3N4)的理論熱導(dǎo)率上限
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(yùn)行至關(guān)重要。高性能電子器件運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如果不能有效及時(shí)地將這些熱量排出，就會(huì)導(dǎo)致器件過熱，進(jìn)而影響性能，甚至損壞器件。優(yōu)秀的熱管理材料應(yīng)當(dāng)同時(shí)具備高導(dǎo)熱性能和機(jī)械性能，以避免器件過熱或斷裂。
氮化硅（Si3N4）因其獨(dú)特的特性在該領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注。由于較強(qiáng)的Si-N鍵，Si3N4 陶瓷表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能，在室溫及高溫下均具有較高的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)Si3N4 還具有低熱膨脹系數(shù)和低密度。優(yōu)異的機(jī)械性能往往伴隨著較高的熱導(dǎo)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(dǎo)率是熱管理中最重要的性質(zhì)之一。1995 年，Haggerty 和 Lightfoot 根據(jù) Slack 關(guān)系預(yù)測室溫下β-Si3N4 的本征熱導(dǎo)率為 200至 320 W/mK。2002年，Hirosaki等人借助經(jīng)驗(yàn)勢函數(shù)，通過分子動(dòng)力學(xué)(MD) 模擬，得到Si3N4的熱導(dǎo)率沿 a 軸和 c 軸分別為170 和 450 W/mK。但目前實(shí)驗(yàn)中所實(shí)現(xiàn)的最高熱導(dǎo)率僅為177 W/mK，遠(yuǎn)低于上述傳統(tǒng)理論的預(yù)測值。實(shí)驗(yàn)學(xué)家們普遍將實(shí)驗(yàn)值與理論值的不匹配歸結(jié)為實(shí)驗(yàn)樣品中晶格氧、晶相、晶界等雜質(zhì)或缺陷的存在。因此很多實(shí)驗(yàn)室仍在努力嘗試提高氮化硅的熱導(dǎo)率以達(dá)到450 W/mK的理論上限。
展開 
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(chǔ)、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(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(gè)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(shí)并推動(dòng)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(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；即使對具有二級(jí)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 基于電池熱導(dǎo)率測量的電池監(jiān)測方法
特定運(yùn)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(shí)世界的電池衰減是提升實(shí)際應(yīng)用中電池壽命、安全性及可靠性的關(guān)鍵，依賴于先進(jìn)的電池傳感技術(shù)。多種傳感信號(hào)已被用于電池監(jiān)測，如溫度、壓力、電化學(xué)、聲學(xué)及光學(xué)等，然而，大多數(shù)現(xiàn)有傳感技術(shù)具有復(fù)雜、嵌入式和定性的特點(diǎn)，難以用于長期獲取商業(yè)電池的定量衰減信息。
02
成果掠影
近期，南方科技大學(xué)曾玉強(qiáng)助理教授課題組在電池傳感領(lǐng)域取得新進(jìn)展，建立了電池衰減相關(guān)的熱導(dǎo)率模型，將電池熱導(dǎo)率作為電池衰減的定量監(jiān)測指標(biāo)，提出了一種非嵌入式的電池衰減定量評(píng)估手段。在前期工作中，團(tuán)隊(duì)以電極熱導(dǎo)率為傳感信號(hào)，基于電極熱導(dǎo)率和鋰離子濃度之間的定量關(guān)系，量化了電極厚度方向的熱導(dǎo)率和鋰離子濃度的空間分布。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)利用電池熱導(dǎo)率對電池結(jié)構(gòu)變化的強(qiáng)依賴性，將其作為電池衰減的定量指標(biāo)。根據(jù)團(tuán)隊(duì)建立的電池熱導(dǎo)率模型，電池的兩種主要衰減機(jī)制對其熱導(dǎo)率有著相反的影響：析鋰會(huì)降低負(fù)極顆粒與隔膜之間的緊縮熱阻而提高電池熱導(dǎo)率，電解液消耗則會(huì)降低流體部分的有效熱導(dǎo)率而降低電池熱導(dǎo)率。基于電池熱導(dǎo)率模型，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了熱傳感方案，用于電池衰減的非嵌入式監(jiān)測和定量評(píng)估。該方案由電池熱導(dǎo)率模型標(biāo)定和熱導(dǎo)率實(shí)時(shí)測量兩部分組成。概念驗(yàn)證研究表明，由實(shí)時(shí)測量的熱導(dǎo)率變化及趨勢，可以反推電池衰減源的演變過程，進(jìn)而定量區(qū)分鋰沉積以及與副反應(yīng)和鋰沉積相關(guān)的電解液消耗。以不同熱管理?xiàng)l件下的電池快充為例，高溫抑制了鋰沉積導(dǎo)致的電池衰減，但加速了電解液的消耗，兩種衰減機(jī)制之間的平衡決定了電池的最佳運(yùn)行溫度。
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
Dong 等人采用有限元法對 CFs 增強(qiáng) EP 復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能進(jìn)行了模擬，得到相同的結(jié)論，隨 CFs 取向減小，法向熱導(dǎo)率增大。
基于 CFs 的取向?qū)?fù)合材料的熱導(dǎo)率的影響，通過各種方法對 CFs 進(jìn)行定向處理，使其更有序、同軸化（如圖 1（d）所示），來改善 CFRP 復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，成為近年來的研究熱點(diǎn)。
Li 等人通過施加應(yīng)力場來同向排列 CFs 制備了 CFs/EP 復(fù)合材料，當(dāng)添加 45wt%的 CFs，當(dāng)施加應(yīng)力場使得CFs 同向排列時(shí)，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為 32.60W/(m·K)，比 CFs 隨機(jī)分布的復(fù)合材料熱導(dǎo)率（4.67W/(m·K)）提高了 598.07%。
除施加應(yīng)力場外，還可以通過磁場、冷凍法或使用模板法實(shí)現(xiàn) CFs 的定向。Ma 等人用定向冷凍法同向排列 CFs 與 EP 混合制備 3D-CFs/EP 復(fù)合材料，添加 13vol%的 CFs，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)為 2.84 W/(m·K)，與 EP 熱導(dǎo)率 0.19 W/(m·K)相比提高1394.74%，比同體積分?jǐn)?shù)下隨機(jī)分散的CFs復(fù)合材料熱導(dǎo)率 1.10 W/(m·K)提升了 158.18%。
Ding 等人向硅橡膠（SR）中添加用磁場定向的碳纖維（o-MCFs），制備了 o-MCFs/SR 復(fù)合材料，當(dāng)添加 9vol%的 o-MCFs 時(shí)，復(fù)合材料熱導(dǎo)率為 4.72 W/(m·K)，比隨機(jī)分散的 CFs 制備的復(fù)合材料的熱導(dǎo)率 1.17 W/(m·K)提升了 303.42%。
展開 Lsdyna中熱導(dǎo)率的單位制轉(zhuǎn)換問題，ton mm
Lsdyna中熱導(dǎo)率的單位制轉(zhuǎn)換問題，ton mm S和g cm us之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)是多少
JPCL：孤立電子對一定會(huì)導(dǎo)致低熱導(dǎo)率嗎？
傳統(tǒng)上，結(jié)構(gòu)、元素組成、缺陷等，都對材料的晶格熱導(dǎo)率(κL)有著重要的影響。此外，結(jié)構(gòu)化學(xué)和局域的成鍵環(huán)境也會(huì)影響κL。在第13、14和15族元素及其各自的化合物中，由s2價(jià)電子對組成的孤立電子對，當(dāng)其表現(xiàn)出立體化學(xué)活性時(shí)，可引起配位原子周圍晶格的扭曲和低的結(jié)構(gòu)對稱性。由于晶格振動(dòng)和聲子散射可被局域原子環(huán)境影響，對于三維塊體材料，晶格非簡諧性可以被有立體化學(xué)活性的孤立電子對所改變。
長期以來，由于孤立電子對導(dǎo)致的非簡諧性，一般認(rèn)為孤立電子對存在的系統(tǒng)均會(huì)具有較低的晶格熱導(dǎo)率，且晶格熱導(dǎo)率可通過改變孤立電子對的電化學(xué)活性強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。然而，至今少有關(guān)于孤立電子對對低維材料（如二維材料）晶格熱導(dǎo)率影響的報(bào)道。在二維材料中，孤立電子對是否仍像在三維材料中那樣，驅(qū)使低晶格熱導(dǎo)率呢？
【成果簡介】
近日，由國內(nèi)東北大學(xué)的Huimin Wang（單位通訊作者：Qiang Wang）和德國亞琛工業(yè)大學(xué)（RWTH Aachen University，Germany）的Guangzhao Qin（單位通訊作者：Ming Hu，現(xiàn)任職于美國南卡大學(xué)）等人共同合作研究了孤立電子對在二維單層材料中對κL的影響。通過對擁有孤立電子對的penta-CN2、C3N和其相應(yīng)無孤立電子對的penta-graphene、graphene四個(gè)系統(tǒng)的深入對比研究，發(fā)現(xiàn)在二維材料中，孤立電子對不一定導(dǎo)致低晶格熱導(dǎo)率，其晶格熱導(dǎo)率的反常增加挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)理論上的認(rèn)識(shí)。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，在二維penta-CN2中，除了其本身的電化學(xué)活性之外，孤立電子對的空間分布形態(tài)很大地影響了其與成鍵電子間的相互作用，從而改變晶格特性，進(jìn)而影響晶格非簡諧性，起到對晶格熱導(dǎo)率的調(diào)控作用。
展開 靜電紡絲技術(shù)增強(qiáng)金剛石納米片/聚合物復(fù)合膜的熱導(dǎo)率
然而，聚合物的低固有熱導(dǎo)率限制了它們在電子領(lǐng)域的應(yīng)用為滿足散熱需求，通常在聚合物中加入填料，以增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)熱性。
傳統(tǒng)混合方法得到的復(fù)合材料不僅填料在聚合物中的分布無序，當(dāng)填料含量較低時(shí)不能形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，而且增加了聚合物基體與填料之間的界面熱阻。利用功能化填料降低填料/襯底界面處的熱阻是近年來的研究熱點(diǎn)，但該方法的實(shí)際應(yīng)用受到填料狀態(tài)和加工方法的影響。因此，尋找一種有效的方法來提高低填料負(fù)載下聚合物復(fù)合材料的熱導(dǎo)率仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。
靜電紡絲技術(shù)不僅操作簡單，而且對纖維的直徑、形態(tài)和性質(zhì)的控制效果好。但是，簡單的單軸靜電紡絲在構(gòu)建特定結(jié)構(gòu)方面存在局限性，并且難以在低分子量或無糾纏的聚合物溶液中形成纖維。然而，目前很少有研究通過不同噴嘴結(jié)構(gòu)的靜電紡絲來構(gòu)建獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，從而提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。靜電紡絲技術(shù)因其在構(gòu)建連續(xù)納米纖維方面的獨(dú)特優(yōu)勢而受到廣泛關(guān)注。
02
成果掠影
近期，桂林理工大學(xué)陸紹榮教授和中科院寧波材料與工程技術(shù)研究所虞錦洪研究員近期在開發(fā)高熱導(dǎo)率的熱管理材料取得新進(jìn)展。
提出采用單軸靜電紡絲和同軸靜電紡絲的方法，制備了不同微觀形貌的單軸聚乙烯醇/納米金剛石片(U-PVA/ND)和同軸聚乙烯醇/納米金剛石片(C-PVA/ND)復(fù)合纖維薄膜。這兩種方法都不需要復(fù)雜的預(yù)處理程序和引入多余的添加劑。結(jié)果表明，ND含量為60 wt %的U-PVA/ND和C-PVA/ND復(fù)合纖維的導(dǎo)熱系數(shù)分別為71.3和85.3 W/(mK)，分別是純PVA纖維膜的171.2和205.1倍。此外，C-PVA/ND復(fù)合纖維膜的最高熱分解溫度和體積電阻率分別為364.3℃和2.29 × 1015 Ω·cm，表明復(fù)合纖維膜具有良好的熱穩(wěn)定性和電絕緣性。
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(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)換效率可以用無量綱的ZT值來衡量，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(huì)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(dòng)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(dòng)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。
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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
由于構(gòu)造孔徑分布的不均勻性，研究報(bào)道的表觀導(dǎo)熱率降低達(dá)13.5％。此外，當(dāng)孔隙度接近非常高的值時(shí)，均質(zhì)和非均質(zhì)模型之間的區(qū)別將顯著減小，可能是由于固氣界面含量增加導(dǎo)致。與利用高孔隙度相反，孔尺寸分布的不均勻性的發(fā)展對于進(jìn)一步降低多孔絕熱體的導(dǎo)熱率可能起關(guān)鍵作用。該文章工作有望為超級(jí)絕熱材料的研究提供新的設(shè)計(jì)研究思路。
【圖文解析】
圖1 用于熱導(dǎo)率測量的AITS圖像和示意圖。
a，AITS在材料表面上的照片。b，測量系統(tǒng)示意圖。c，用于校準(zhǔn)兩種類型AITS的各種標(biāo)準(zhǔn)材料導(dǎo)熱系數(shù)測量結(jié)果，測量誤差在5.9％以內(nèi)。
圖2制造用于熱輸運(yùn)AITS的處理流程示意圖。
圖3基于AITS的3
ω方法測試結(jié)構(gòu)和多孔材料的測量溫升數(shù)據(jù)。
a，多孔塊材基于3 ω方法在不同壓力下進(jìn)行熱特性表征。b，AITS在不同壓力下的實(shí)驗(yàn)溫升數(shù)據(jù)。
圖4多孔材料的代表性合成過程和熱表征實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
a，RS系列PMI泡沫的合成工藝。B，不同密度RS泡沫基于AITS的3ω方法的試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)。c，RS系列PMI泡沫的代表性SEM圖像。
圖5用于傳熱分析的空心立方體模型。
a，空心立方體模型的示意圖。b，單元格的放大視圖。c, 穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)下的模擬溫度分布。d，計(jì)算導(dǎo)熱率與孔隙率的關(guān)系。
圖6用于構(gòu)建不均勻微結(jié)構(gòu)的CT掃描成像，用于對具有不同孔隙率的RS泡沫進(jìn)行傳熱分析。
a，重建圖像以進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。b，基于我們3D模擬的平均熱導(dǎo)率。
展開 功率模塊封裝用高熱導(dǎo)率Si3N4陶瓷的研究進(jìn)展
本文從影響 Si3N4陶瓷熱導(dǎo)率的因素入手，系統(tǒng)總結(jié)了制備高熱導(dǎo)率Si3N4 陶瓷的有效燒結(jié)助劑，以及新發(fā)展的反應(yīng)燒結(jié)-重?zé)Y(jié)(Sintering of reaction-bonded silicon nitride,SRBSN)和傳統(tǒng)的氣壓燒結(jié)(Gas pressure sintering,GPS)在制備高強(qiáng)高熱導(dǎo) Si3N4 陶瓷的最新研究進(jìn)展，最后介紹了 Si3N4 陶瓷基板的介電擊穿強(qiáng)度和覆銅后的性能評(píng)價(jià)，并對未來的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。
01
Si3N4 陶瓷熱導(dǎo)率的影響因素
高熱導(dǎo)的 SiC 和 AlN 陶瓷，在 1973 年被 Slack預(yù)測有高的理論熱導(dǎo)率后，僅僅 10 余年的研究熱導(dǎo)率就達(dá)到 270 W·m-1K-1。不同于這二者，高熱導(dǎo) Si3N4陶瓷的研究進(jìn)展較為緩慢， 這一方面是因?yàn)?β-Si3N4 晶粒的棱柱狀形貌增加了研究微結(jié)構(gòu)因素對熱導(dǎo)率影響的難度；另一方面是因?yàn)椋绊?Si3N4 陶瓷熱導(dǎo)率最關(guān)鍵的因素—晶格氧含量，在很長時(shí)間里都沒有準(zhǔn)確有效的測試方法, 直到 20世紀(jì)末，熱氣抽取技術(shù)的出現(xiàn)，才解決了這一難題， 使影響Si3N4陶瓷熱導(dǎo)率的多種因素得以澄清。下面將分別介紹微結(jié)構(gòu)、晶格氧含量、稀土氧化物、晶格雜質(zhì)和缺陷等因素對 Si3N4陶瓷熱導(dǎo)率的影響。
1.1 微結(jié)構(gòu)因素的影響
Si3N4 陶瓷的微結(jié)構(gòu)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(zhì)晶粒和異常長大的長柱狀晶粒。顆粒間玻璃相的熱導(dǎo)率比 Si3N4晶粒低很多，對高熱導(dǎo)率的危害也更大。基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果， Hirosaki 等得出晶界膜的厚度與晶粒尺寸直接相關(guān)， 對 β-Si3N4的熱導(dǎo)率有重要影響。但由于 β-Si3N4的晶粒形貌各向異性， 相關(guān)研究一直缺少理論上的支持。
展開 亞琛大學(xué)、馬普所等《AFM》：平行位錯(cuò)和柯氏氣團(tuán)可降低熱電材料熱導(dǎo)率！
位錯(cuò)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(cuò)(>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(cuò)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(cuò)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(cuò)在單個(gè)晶粒內(nèi)的均勻分布并且沿著四個(gè)<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(cuò)核心的富集，形成柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)。位錯(cuò)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(cuò)的平行排列和柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)使位錯(cuò)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(jí)期刊Advanced Functional Materials。
展開 ：SnTe的熵工程——多組元合金化導(dǎo)致超低晶格熱導(dǎo)率和先進(jìn)熱電
【引言】
熱無處不在：人類創(chuàng)造的能量中多于2/3都以熱量的形式流失。熱電材料可以無需旋轉(zhuǎn)部件或溫室排放，直接將未開發(fā)的浪費(fèi)的熱量轉(zhuǎn)化為電能。因此，熱電材料研究在近幾十年來受到了廣泛關(guān)注。提供熱電材料性能的方法就像Slack提出的名為“電子-晶體 聲子-玻璃”的雙向策略一致，一方面通過能帶結(jié)構(gòu)工程使電導(dǎo)率、Seebeck系數(shù)和載流子熱導(dǎo)率退耦合，得到較高的功率因數(shù)；另一方面，通過全方位層次結(jié)構(gòu)抑制晶格熱容。根植于高熵合金的核心效應(yīng)，熵工程可實(shí)現(xiàn)高熵合金能帶結(jié)構(gòu)工程和多尺度層次結(jié)構(gòu)的協(xié)同效應(yīng)。
【成果簡介】
近日，深圳大學(xué)的李均欽教授（通訊作者）團(tuán)隊(duì)在Advanced Energy Materials上發(fā)表了題為“Entropy Engineering of SnTe: Multi‐Principal‐Element Alloying Leading to Ultralow Lattice Thermal Conductivity and State-of-the-Art Thermoelectric Performance”的文章。增加合金元素的數(shù)目，需要補(bǔ)償載流子遷移率，這一直是高熵合金應(yīng)用于熱電材料領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。而此篇文章作者考慮了多組元合金體系，即合金元素少于五種的“低配版”高熵合金。組元并不是等摩爾的，混合熵卻足夠高來引發(fā)高熵合金的核心效應(yīng)。未驗(yàn)證多組元合金化體系的合理性，作者選擇環(huán)境友好的SnTe作為最佳材料樣本，其簡單的fcc巖鹽型結(jié)構(gòu)易于展示多組元合金體系的效力，考慮到高熵合金效應(yīng)，巖鹽型結(jié)構(gòu)也有利于形成單相高熵合金。
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