界面熱輸運(yùn)
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2026-01-04
界面熱輸運(yùn)的視頻教程
Fluent工程案例27講 ：實(shí)操流動(dòng)、換熱、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、多相流、組分輸運(yùn)、動(dòng)網(wǎng)格和UDF分析
① 掌握fluent在基礎(chǔ)流動(dòng)、換熱、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、多相流、組分輸運(yùn)、動(dòng)網(wǎng)格和UDF等多個(gè)方向的仿真流程和知識(shí)點(diǎn)； ② 掌握Fluent軟件中多個(gè)中高級(jí)物理模型的概念和仿真方法 ③ 對(duì)多種工程案例進(jìn)行學(xué)習(xí)，掌握fluent在各個(gè)學(xué)科中的知識(shí)點(diǎn)與仿真難點(diǎn)； ④ 學(xué)習(xí)復(fù)雜Fluent問題在實(shí)際仿真中的工作步驟及對(duì)策； ⑤ 提供所有案例源文件聯(lián)系和訂閱用戶交流服務(wù)，后續(xù)可以根據(jù)用戶需求加餐內(nèi)容
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界面熱輸運(yùn)的實(shí)例教程
因此，熱管理和溫度控制顯著影響微電子器件的性能和發(fā)展。該領(lǐng)域的微觀尺度換熱備受關(guān)注，其中界面熱輸運(yùn)占據(jù)了主導(dǎo)地位。
目前大量研究集中在界面傳熱上以及熱導(dǎo)率高的材料，從而能更好地促進(jìn)微電子器件和散熱材料的發(fā)展。二維材料的熱性能及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)是納米器件高效散熱的關(guān)鍵。尤其是二維石墨烯，由于其原子間的強(qiáng)鍵合，具有超高的導(dǎo)熱性。然而，石墨烯的內(nèi)部聲子傳輸容易受到表面或邊緣擾動(dòng)的影響。即與襯底接觸后，面內(nèi)熱導(dǎo)率明顯降低。因此，對(duì)于石墨烯來說，選擇理想的襯底至關(guān)重要。盡管之前有很多研究試圖找到解決這個(gè)問題的方法，但并沒有取得突破性的進(jìn)展。
石墨烯與襯底之間的界面熱阻極大地阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。傳統(tǒng)的剝離和轉(zhuǎn)移到襯底的操作總是會(huì)對(duì)石墨烯造成折疊和起皺。在基材表面進(jìn)行原位生長(zhǎng)是解決這一問題的更好選擇。金剛石作為碳的另一種同素異形體，在1500 ~ 1900℃的高溫真空退火下容易轉(zhuǎn)變?yōu)槭＝饎偸腃-C鍵長(zhǎng)為14.5nm，石墨烯的C-C鍵長(zhǎng)為14.2nm，兩者相差不超過2%。金剛石是作為基板的不錯(cuò)選擇，可以減少石墨烯與基板接觸時(shí)的面外聲子散射，因?yàn)樗鼈兙哂懈叨鹊慕Y(jié)構(gòu)相似性。然而，目前的研究還沒有揭示影響金剛石/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面熱傳遞的因素，通過揭示熱傳遞的因素對(duì)于未來設(shè)計(jì)具有優(yōu)異導(dǎo)熱系數(shù)的材料具有重大的指導(dǎo)意義。
02
成果掠影
近期，北京科技大學(xué)馮妍卉教授關(guān)于石墨烯與襯底之間界面熱阻問題的研究取得一定進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)基于非平衡分子動(dòng)力學(xué)(NEMD)模擬，研究了金剛石/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面熱輸運(yùn)的影響因素，以及石墨烯層數(shù)和溫度對(duì)金剛石/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)的影響。
展開 因此，熱管理和溫度控制顯著影響微電子器件的性能和發(fā)展。該領(lǐng)域的微觀尺度換熱備受關(guān)注，其中界面熱輸運(yùn)占據(jù)了主導(dǎo)地位。
目前大量研究集中在界面傳熱上以及熱導(dǎo)率高的材料，從而能更好地促進(jìn)微電子器件和散熱材料的發(fā)展。二維材料的熱性能及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)是納米器件高效散熱的關(guān)鍵。尤其是二維石墨烯，由于其原子間的強(qiáng)鍵合，具有超高的導(dǎo)熱性。然而，石墨烯的內(nèi)部聲子傳輸容易受到表面或邊緣擾動(dòng)的影響。即與襯底接觸后，面內(nèi)熱導(dǎo)率明顯降低。因此，對(duì)于石墨烯來說，選擇理想的襯底至關(guān)重要。盡管之前有很多研究試圖找到解決這個(gè)問題的方法，但并沒有取得突破性的進(jìn)展。
石墨烯與襯底之間的界面熱阻極大地阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。傳統(tǒng)的剝離和轉(zhuǎn)移到襯底的操作總是會(huì)對(duì)石墨烯造成折疊和起皺。在基材表面進(jìn)行原位生長(zhǎng)是解決這一問題的更好選擇。金剛石作為碳的另一種同素異形體，在1500 ~ 1900℃的高溫真空退火下容易轉(zhuǎn)變?yōu)槭＝饎偸腃-C鍵長(zhǎng)為14.5nm，石墨烯的C-C鍵長(zhǎng)為14.2nm，兩者相差不超過2%。金剛石是作為基板的不錯(cuò)選擇，可以減少石墨烯與基板接觸時(shí)的面外聲子散射，因?yàn)樗鼈兙哂懈叨鹊慕Y(jié)構(gòu)相似性。然而，目前的研究還沒有揭示影響金剛石/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面熱傳遞的因素，通過揭示熱傳遞的因素對(duì)于未來設(shè)計(jì)具有優(yōu)異導(dǎo)熱系數(shù)的材料具有重大的指導(dǎo)意義。
02
成果掠影
近期，北京科技大學(xué)馮妍卉教授關(guān)于石墨烯與襯底之間界面熱阻問題的研究取得一定進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)基于非平衡分子動(dòng)力學(xué)(NEMD)模擬，研究了金剛石/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面熱輸運(yùn)的影響因素，以及石墨烯層數(shù)和溫度對(duì)金剛石/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)的影響。
展開 來源 | Materials Today Physics
01
背景介紹
隨著科技的飛速發(fā)展，電子器件逐漸朝著微型化、集成化的方向發(fā)展，因此給電子器件帶來了高的功率密度，高功率密度導(dǎo)致了器件發(fā)熱嚴(yán)重，如果不采取有效的手段可能會(huì)導(dǎo)致熱失控的發(fā)生。因此熱管理材料以及技術(shù)逐漸開始成為人們重點(diǎn)關(guān)注的方向。
熱管理就是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換的過程，因此固體材料之間的界面的熱傳遞引起了人們的極大興趣。納米結(jié)構(gòu)器件的普及，界面熱傳輸現(xiàn)象中逐漸占據(jù)更重要的作用。然而，由于復(fù)雜的物理性質(zhì)和微觀效應(yīng)，從原子尺度到微觀尺度的探究對(duì)界面熱運(yùn)輸?shù)脑砣匀恢跎佟?隨著界面密度的增加，熱運(yùn)輸不僅取決于材料本身的特性，還取決于熱界面的條件。在這些情況下，由熱界面引起的熱阻可能大于材料本身的熱阻，并在熱傳遞中起關(guān)鍵作用。但是，由于熱界面周圍的復(fù)雜性，如原子結(jié)構(gòu)不匹配，熱載體之間的相互作用等，更好地理解界面阻力仍然是最近研究工作的中心。
近年來，在界面熱輸運(yùn)理論和模擬方面取得了許多進(jìn)展，主要集中在原子尺度上的界面散射。傳統(tǒng)的聲學(xué)失配模型(AMM)和擴(kuò)散失配模型( DMM)基于兩種組成材料的性質(zhì)來預(yù)測(cè)界面聲子散射，沒有考慮局部原子結(jié)構(gòu)和鍵合強(qiáng)度對(duì)界面熱輸運(yùn)的影響，存在一定的缺陷。
近期新的模擬手段，例如原子格林函數(shù)(AGF)和分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬，克服了這些缺點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于各種類型的界面。雖然這些MD和AGF在原子尺度上對(duì)界面聲子輸運(yùn)的詳細(xì)機(jī)制的理解有了顯著的進(jìn)步，但是它們對(duì)模擬更小尺度上的能力有限，例如距離界面幾微米范圍內(nèi)的聲子-界面和聲子-聲子散射的聯(lián)合效應(yīng)。因此揭示微觀尺度上聲子-界面和聲子-聲子散射的復(fù)雜相互作用是非常重要的。
展開 研究非晶氧化鎵的熱輸運(yùn)特性對(duì)其在能源與光電子器件的熱管理及能量轉(zhuǎn)化等方面的應(yīng)用至關(guān)重要。
近年來，通過考慮模態(tài)相干作用和非諧性對(duì)熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)，非晶材料的導(dǎo)熱理論取得了一定進(jìn)展，然而，由于非晶材料原子尺度結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及當(dāng)前實(shí)驗(yàn)和計(jì)算手段的局限性，全面理解非晶材料的結(jié)構(gòu)對(duì)熱輸運(yùn)特性的影響機(jī)理并建立二者之間的定量關(guān)系仍是凝聚態(tài)材料物理中待解決的挑戰(zhàn)性難題。
目前，盡管在理論研究方面取得了重大進(jìn)展，但由于無序系統(tǒng)的精確建模仍然存在顯著的挑戰(zhàn)。近年來，基于密度泛函理論(DFT)或經(jīng)典力場(chǎng)的分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬一直是建模和理解材料的核心方法。在許多研究中發(fā)現(xiàn)，它們的預(yù)測(cè)能力和可轉(zhuǎn)移性相對(duì)較差。最近，機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)技術(shù)正在成為一種強(qiáng)大的工具，通過直接從適當(dāng)選擇的量子力學(xué)計(jì)算的參考數(shù)據(jù)集合中映射原子構(gòu)型和能量之間的關(guān)系，有望解決上述材料建模中的挑戰(zhàn)。
02
成果掠影
近期，清華大學(xué)航空航天學(xué)院曹炳陽教授聯(lián)合英國劍橋大學(xué)工程系加博爾·塞尼（Gábor Csányi）教授在探究非晶氧化鎵原子結(jié)構(gòu)與熱輸運(yùn)性質(zhì)之間的內(nèi)在影響取得新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)采用機(jī)器學(xué)習(xí)、分子動(dòng)力學(xué)模擬及實(shí)驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合的方法成功揭示了非晶氧化鎵的原子結(jié)構(gòu)特征、熱輸運(yùn)性質(zhì)及“結(jié)構(gòu)—熱輸運(yùn)性質(zhì)”內(nèi)在影響機(jī)制和定量關(guān)系。由于當(dāng)前實(shí)驗(yàn)技術(shù)難以直接觀測(cè)到非晶材料的三維原子結(jié)構(gòu)，因此研究團(tuán)隊(duì)借助具有量子力學(xué)精度的機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)函數(shù)模擬熔化—淬火過程對(duì)非晶材料進(jìn)行原子尺度的準(zhǔn)確建模，并使用非平衡分子動(dòng)力學(xué)模擬、阿倫-費(fèi)爾德曼（Allen-Feldmen，AF）簡(jiǎn)諧理論及統(tǒng)一導(dǎo)熱理論（Unified Theory,UF）對(duì)非晶氧化鎵的熱導(dǎo)率進(jìn)行了研究。
展開 圖2：溫度對(duì)熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)。
(a)使用Green-Kubo平衡分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算得到的總熱導(dǎo)率，及其中的位力貢獻(xiàn)、流動(dòng)貢獻(xiàn)和截項(xiàng)貢獻(xiàn)，并將GK-EMD和波爾茨曼輸運(yùn)方程(BTE)得到的總熱導(dǎo)率相比較；
(b)位力、流動(dòng)和截項(xiàng)對(duì)熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)百分比隨溫度變化情況。
圖3：不同溫度下Li2S中的離子軌跡。
圖4：基于平均自由程對(duì)四種不同熱載流子的表征。
(a)第一性原理計(jì)算不同溫度下累積的熱導(dǎo)率與平均自由程的比值；
(b)由3計(jì)算得到的透射系數(shù)與頻率的依賴關(guān)系；
(c)第一性原理計(jì)算得到的，歸一化累積熱導(dǎo)率與平均自由程的比值；
(d)1300K時(shí)，Li2S中不同熱載流子相對(duì)貢獻(xiàn)的比較。
【小結(jié)】
作者通過反應(yīng)力學(xué)分子動(dòng)力學(xué)和第一性原理模擬了溫度處于300K到1500K之間，Li2S中的熱傳導(dǎo)機(jī)制，將晶格振動(dòng)，流動(dòng)和晶格-流動(dòng)相互作用分別對(duì)熱導(dǎo)率的相對(duì)貢獻(xiàn)。低于800K，系統(tǒng)可被視為完美晶體，熱載流子均為聲子，總熱導(dǎo)率與溫度之間遵循傳統(tǒng)的1/T關(guān)系。在中間溫度區(qū)間（800-1000K），盡管Li2S總體仍可視為晶體，一些鋰離子的跳動(dòng)會(huì)對(duì)流動(dòng)熱導(dǎo)率和截項(xiàng)熱導(dǎo)率有著不可忽視的貢獻(xiàn)，也會(huì)導(dǎo)致晶體熱導(dǎo)率偏離1/T關(guān)系。高于1100K時(shí)，鋰離子開始為類液態(tài)，對(duì)流動(dòng)熱導(dǎo)率和截項(xiàng)熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)顯著增加。此外，聲子散射增加和升溫時(shí)在近鄰原子之間跳動(dòng)的力的增加存在相互影響。溫度高于1200K時(shí)，位力熱導(dǎo)率隨溫度增加。1300K時(shí)，46%以上的熱被S亞晶格中平均自由程小于幾埃米的載流子攜帶。
展開 
界面熱輸運(yùn)的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
界面熱輸運(yùn)的最新內(nèi)容
來源 | Composites Part B：engineering
00
背景介紹
隨著功率密度的快速上升和封裝結(jié)構(gòu)的密集化，散熱已經(jīng)成為現(xiàn)代微電子的關(guān)鍵瓶頸。對(duì)于碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)，通過芯片底部的熱流密度已經(jīng)從100-250 W/cm2急劇增加到1 kW/cm2。為了提高器件的性能和壽命，迫切需要具有高通平面導(dǎo)熱系數(shù)
來源 | Composites Science and Technology
00
背景介紹
隨著電子產(chǎn)品的集成化、小型化和功率密度的提高，有效的散熱已成為一個(gè)關(guān)鍵問題。隨著高性能計(jì)算需求的不斷增長(zhǎng)，服務(wù)器CPU或GPU的熱設(shè)計(jì)功率逐漸提高到400w及以上。熱界面材料(TIMs)通過有效地將熱量從電子器件傳遞到散熱器，在電子器件的整體散熱中起著重要作用
來源 | ACS Applied Materials&Interfaces
01
背景介紹
固體物體的表面總是凹凸不平的。假設(shè)兩個(gè)表面波動(dòng)僅為1 μm的物體相互接觸，在它們的界面處將觀察到一個(gè)大于38.0 mm2 K/W的巨大熱阻抗，與15.2 mm厚的銅板相當(dāng)。這種由不可忽略的界面氣隙產(chǎn)生的熱障，一直阻礙著電子器件散熱過程。為了促進(jìn)有效的界面熱傳遞
來源 | Advanced Functional Materials
01
背景介紹
聚合物基材料由于其優(yōu)異的靈活性，重量輕，優(yōu)良的可加工性和低成本的特點(diǎn)，在大功率微電子器件的熱管理方面引起了廣泛的關(guān)注。但是，大多數(shù)聚合物具有相對(duì)較低的導(dǎo)熱系數(shù)，范圍為0.1至0.5 W/mk。提高聚合物導(dǎo)熱性的一種簡(jiǎn)單而有效的方法是將高導(dǎo)熱填料(如金屬、陶瓷
來源 | Composites Part B
01
背景介紹
隨著電子產(chǎn)品逐漸向輕量化和多功能化的方向發(fā)展，要求更高的集成度導(dǎo)致設(shè)備功率密度的增加。因此電子產(chǎn)品在工作中會(huì)產(chǎn)生過多熱量大大降低了相應(yīng)設(shè)備的性能和壽命，所以散熱成為制約電子器件進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。散熱的主要挑戰(zhàn)之一是由表面粗糙度引起的電子器件和散熱器配合表面的微觀間隙所引起的界面熱阻
來源 | Composites Science and Technology
01
背景介紹
從電子封裝中的導(dǎo)熱材料到智能控制設(shè)備中的傳感器，功能性聚合物復(fù)合材料有著廣泛的應(yīng)用。優(yōu)異的導(dǎo)熱性能通常需要較高的填充量(>50%)，這會(huì)使復(fù)合凝膠的拉伸性和順應(yīng)性惡化。良好的柔韌性使復(fù)合凝膠能夠更好地貼合非均質(zhì)組分的不規(guī)則表面，從而降低熱阻
來源 |
Journal of Colloid And Interface Science
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背景介紹
隨著第五代通信、大功率集成芯片和鋰離子電池的發(fā)展，對(duì)散熱提出了更高的要求，促使對(duì)導(dǎo)熱絕緣熱界面材料(TIMs)的需求快速增長(zhǎng)。高分子材料以其優(yōu)異的可加工性、重量輕、成本低等特點(diǎn)受到人們的青睞
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Jingkai Liu, Haoyang Feng, Jinyue Dai, et al. A Full-component recyclable Epoxy/BN thermal interface material with anisotropy high thermal conductivity and interface adaptability[J]. Chemical
來源 | Chemical Engineering Journal
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背景介紹
隨著電子器件向小型化、集成化、大功率密化的方向發(fā)展，對(duì)高效散熱技術(shù)的需求日益迫切。熱界面材料(TIMs)通過連接熱源和散熱器，可以有效避免過熱和設(shè)備損壞。最新的TIM不僅要求高熱流密度以適應(yīng)輕量化趨勢(shì)，而且要求可回收性以緩解電子垃圾帶來的環(huán)境壓力
來源 | Advanced Materials
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背景介紹
非晶（無定形）材料指原子排列缺乏長(zhǎng)程周期性的固體材料，普遍存在于自然界中，也是工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中使用最為廣泛的一類材料。非晶氧化鎵具有超寬的禁帶寬度和優(yōu)異的物理化學(xué)特性，是制造高功率芯片和柔性光電子器件的重要基礎(chǔ)材料。研究非晶氧化鎵的熱輸運(yùn)特性對(duì)其在能源與光電子器件的熱管理及能量轉(zhuǎn)化等方面的應(yīng)用至關(guān)重要
