界面熱輸運的案例
提高金剛石/石墨烯異質結構界面的熱輸運
因此，熱管理和溫度控制顯著影響微電子器件的性能和發展。該領域的微觀尺度換熱備受關注，其中界面熱輸運占據了主導地位。
目前大量研究集中在界面傳熱上以及熱導率高的材料，從而能更好地促進微電子器件和散熱材料的發展。二維材料的熱性能及其異質結構是納米器件高效散熱的關鍵。尤其是二維石墨烯，由于其原子間的強鍵合，具有超高的導熱性。然而，石墨烯的內部聲子傳輸容易受到表面或邊緣擾動的影響。即與襯底接觸后，面內熱導率明顯降低。因此，對于石墨烯來說，選擇理想的襯底至關重要。盡管之前有很多研究試圖找到解決這個問題的方法，但并沒有取得突破性的進展。
石墨烯與襯底之間的界面熱阻極大地阻礙了其實際應用。傳統的剝離和轉移到襯底的操作總是會對石墨烯造成折疊和起皺。在基材表面進行原位生長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變為石墨。金剛石的C-C鍵長為14.5nm，石墨烯的C-C鍵長為14.2nm，兩者相差不超過2%。金剛石是作為基板的不錯選擇，可以減少石墨烯與基板接觸時的面外聲子散射，因為它們具有高度的結構相似性。然而，目前的研究還沒有揭示影響金剛石/石墨烯異質結構界面熱傳遞的因素，通過揭示熱傳遞的因素對于未來設計具有優異導熱系數的材料具有重大的指導意義。
02
成果掠影
近期，北京科技大學馮妍卉教授關于石墨烯與襯底之間界面熱阻問題的研究取得一定進展。該團隊基于非平衡分子動力學(NEMD)模擬，研究了金剛石/石墨烯異質結構界面熱輸運的影響因素，以及石墨烯層數和溫度對金剛石/石墨烯異質結構導熱系數的影響。
展開 提高金剛石/石墨烯異質結構界面的熱輸運
因此，熱管理和溫度控制顯著影響微電子器件的性能和發展。該領域的微觀尺度換熱備受關注，其中界面熱輸運占據了主導地位。
目前大量研究集中在界面傳熱上以及熱導率高的材料，從而能更好地促進微電子器件和散熱材料的發展。二維材料的熱性能及其異質結構是納米器件高效散熱的關鍵。尤其是二維石墨烯，由于其原子間的強鍵合，具有超高的導熱性。然而，石墨烯的內部聲子傳輸容易受到表面或邊緣擾動的影響。即與襯底接觸后，面內熱導率明顯降低。因此，對于石墨烯來說，選擇理想的襯底至關重要。盡管之前有很多研究試圖找到解決這個問題的方法，但并沒有取得突破性的進展。
石墨烯與襯底之間的界面熱阻極大地阻礙了其實際應用。傳統的剝離和轉移到襯底的操作總是會對石墨烯造成折疊和起皺。在基材表面進行原位生長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變為石墨。金剛石的C-C鍵長為14.5nm，石墨烯的C-C鍵長為14.2nm，兩者相差不超過2%。金剛石是作為基板的不錯選擇，可以減少石墨烯與基板接觸時的面外聲子散射，因為它們具有高度的結構相似性。然而，目前的研究還沒有揭示影響金剛石/石墨烯異質結構界面熱傳遞的因素，通過揭示熱傳遞的因素對于未來設計具有優異導熱系數的材料具有重大的指導意義。
02
成果掠影
近期，北京科技大學馮妍卉教授關于石墨烯與襯底之間界面熱阻問題的研究取得一定進展。該團隊基于非平衡分子動力學(NEMD)模擬，研究了金剛石/石墨烯異質結構界面熱輸運的影響因素，以及石墨烯層數和溫度對金剛石/石墨烯異質結構導熱系數的影響。
展開 通過模擬分析揭示微觀尺度聲子對Si-Ge界面熱阻的影響
來源 | Materials Today Physics
01
背景介紹
隨著科技的飛速發展，電子器件逐漸朝著微型化、集成化的方向發展，因此給電子器件帶來了高的功率密度，高功率密度導致了器件發熱嚴重，如果不采取有效的手段可能會導致熱失控的發生。因此熱管理材料以及技術逐漸開始成為人們重點關注的方向。
熱管理就是一個能量轉換的過程，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。納米結構器件的普及，界面熱傳輸現象中逐漸占據更重要的作用。然而，由于復雜的物理性質和微觀效應，從原子尺度到微觀尺度的探究對界面熱運輸的原理仍然知之甚少。
隨著界面密度的增加，熱運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，并在熱傳遞中起關鍵作用。但是，由于熱界面周圍的復雜性，如原子結構不匹配，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，在界面熱輸運理論和模擬方面取得了許多進展，主要集中在原子尺度上的界面散射。傳統的聲學失配模型(AMM)和擴散失配模型( DMM)基于兩種組成材料的性質來預測界面聲子散射，沒有考慮局部原子結構和鍵合強度對界面熱輸運的影響，存在一定的缺陷。
近期新的模擬手段，例如原子格林函數(AGF)和分子動力學(MD)模擬，克服了這些缺點，已廣泛應用于各種類型的界面。雖然這些MD和AGF在原子尺度上對界面聲子輸運的詳細機制的理解有了顯著的進步，但是它們對模擬更小尺度上的能力有限，例如距離界面幾微米范圍內的聲子-界面和聲子-聲子散射的聯合效應。因此揭示微觀尺度上聲子-界面和聲子-聲子散射的復雜相互作用是非常重要的。
展開 利用機器學習結合實驗揭示非晶氧化鎵原子結構與熱輸運的關系
研究非晶氧化鎵的熱輸運特性對其在能源與光電子器件的熱管理及能量轉化等方面的應用至關重要。
近年來，通過考慮模態相干作用和非諧性對熱導率的貢獻，非晶材料的導熱理論取得了一定進展，然而，由于非晶材料原子尺度結構的復雜性及當前實驗和計算手段的局限性，全面理解非晶材料的結構對熱輸運特性的影響機理并建立二者之間的定量關系仍是凝聚態材料物理中待解決的挑戰性難題。
目前，盡管在理論研究方面取得了重大進展，但由于無序系統的精確建模仍然存在顯著的挑戰。近年來，基于密度泛函理論(DFT)或經典力場的分子動力學(MD)模擬一直是建模和理解材料的核心方法。在許多研究中發現，它們的預測能力和可轉移性相對較差。最近，機器學習(ML)技術正在成為一種強大的工具，通過直接從適當選擇的量子力學計算的參考數據集合中映射原子構型和能量之間的關系，有望解決上述材料建模中的挑戰。
02
成果掠影
近期，清華大學航空航天學院曹炳陽教授聯合英國劍橋大學工程系加博爾·塞尼（Gábor Csányi）教授在探究非晶氧化鎵原子結構與熱輸運性質之間的內在影響取得新進展。團隊采用機器學習、分子動力學模擬及實驗測量相結合的方法成功揭示了非晶氧化鎵的原子結構特征、熱輸運性質及“結構—熱輸運性質”內在影響機制和定量關系。由于當前實驗技術難以直接觀測到非晶材料的三維原子結構，因此研究團隊借助具有量子力學精度的機器學習勢函數模擬熔化—淬火過程對非晶材料進行原子尺度的準確建模，并使用非平衡分子動力學模擬、阿倫-費爾德曼（Allen-Feldmen，AF）簡諧理論及統一導熱理論（Unified Theory,UF）對非晶氧化鎵的熱導率進行了研究。
展開 
.: 由晶態到部分晶態部分液態的熱輸運轉變
圖2：溫度對熱導率的貢獻。
(a)使用Green-Kubo平衡分子動力學模擬計算得到的總熱導率，及其中的位力貢獻、流動貢獻和截項貢獻，并將GK-EMD和波爾茨曼輸運方程(BTE)得到的總熱導率相比較；
(b)位力、流動和截項對熱導率的貢獻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：基于平均自由程對四種不同熱載流子的表征。
(a)第一性原理計算不同溫度下累積的熱導率與平均自由程的比值；
(b)由3計算得到的透射系數與頻率的依賴關系；
(c)第一性原理計算得到的，歸一化累積熱導率與平均自由程的比值；
(d)1300K時，Li2S中不同熱載流子相對貢獻的比較。
【小結】
作者通過反應力學分子動力學和第一性原理模擬了溫度處于300K到1500K之間，Li2S中的熱傳導機制，將晶格振動，流動和晶格-流動相互作用分別對熱導率的相對貢獻。低于800K，系統可被視為完美晶體，熱載流子均為聲子，總熱導率與溫度之間遵循傳統的1/T關系。在中間溫度區間（800-1000K），盡管Li2S總體仍可視為晶體，一些鋰離子的跳動會對流動熱導率和截項熱導率有著不可忽視的貢獻，也會導致晶體熱導率偏離1/T關系。高于1100K時，鋰離子開始為類液態，對流動熱導率和截項熱導率的貢獻顯著增加。此外，聲子散射增加和升溫時在近鄰原子之間跳動的力的增加存在相互影響。溫度高于1200K時，位力熱導率隨溫度增加。1300K時，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 具有高導熱性和界面適應性的可回收BN/環氧熱界面材料
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備損壞。最新的TIM不僅要求高熱流密度以適應輕量化趨勢，而且要求可回收性以緩解電子垃圾帶來的環境壓力。然而，制備既具有高散熱性能又具有可回收性的TIM仍然是一個巨大的挑戰。
含有導熱填料的聚合物復合材料是高性能TIM的可行候選材料。其中氮化硼(BN)填料因其優異的各向異性熱輸運、介電性能、熱穩定性和機械強度而受到廣泛關注。先進的BN/聚合物復合材料主要旨在通過相互接觸、連續相、規則取向或單向組裝來獲得更高的導熱性。然而，這些方法不僅涉及復雜的工藝，而且對粗糙表面的順應性仍未得到解決。
迄今為止，人們已經探索了多種策略，包括構建夾層結構，降低模量，設計微/納米流體，以及使用熱塑性基質，以賦予TIM具有適應性界面。由于熱塑性材料的彈性變形，在熱塑性復合材料中，通過葉片涂布、靜電紡絲、熱壓、拉伸等方法可以很容易地獲得填料的界面柔度和取向。然而，熱塑性塑料相對較低的力學性能和較高的熱應力不利于其長期使用。最近，熱固性樹脂具有低介電常數和優異的熱性能和力學性能，被認為是TIM的理想基材，但其不溶性和不溶性使其難以符合TIM的粗糙表面，難以回收利用。
02
成果掠影
近期，中國科學院寧波材料技術與工程研究所的代金月老師針對開發高導熱以及具有可回收性的TIM取得新進展。本研究采用熱壓誘導取向法制備了具有各向異性導熱性和可回收性的高性能BN/環氧復合材料，并且具有表面相容性的完全可回收的TIM。
結果表明，僅通過簡單的熱壓處理，填充的BN就可以很容易地在平面上取向，導熱系數為3.85 W/(mK)，BN含量為40 wt %，比原始環氧樹脂高30倍，比熱壓處理前的復合材料高4.3倍。
展開 一種具有低表面張力和優異熱導率的液態金屬熱界面材料
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 熱界面材料（TIM）近期熱文速覽
鏈接：doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.120807
總結：該文使用垂直排列的短切碳纖維(VASCFs)用于開發具有高導熱性的相變熱界面材料PCTIMs，VASCFs/PA/SR材料的導熱系數高達7.00 W/(m·K)，遠高于之前報道的PCTIMs。
Abstract: Phase change thermal interface materials (PCTIMs) are receiving increasing attention but suffer from low thermal conductivity and are challenging to improve significantly. Here, vertically aligned short-cut carbon fibers (VASCFs) were employed for the first time to develop PCTIMs with high thermal conductivity. The most effective thermal conductivity enhancement was achieved by VASCFs, which were attributed to providing complete heat transfer paths, further verified by the finite element simulation.
展開 氮化硼納米片增強聚乙烯熱界面材料
熱界面材料(TIMs)是有效轉移或去除電子器件廢熱以避免器件因工作在過熱條件下而發生故障的重要和不可或缺的材料。然而，為了填充散熱器與TIM接觸面之間的細小氣隙，需要在高壓下進行壓縮過程，這可能會破壞電子電路的組件，無法完全填充大的氣隙。
熱熔膠(HMA)由于其能夠與大多數材料快速而牢固地結合，并且與其他TIMs相比易于操作，近年來作為解決上述問題的材料而引起了人們的關注。此外，在融化過程中，HMA具有高流動特性，可以充分填充散熱片接觸面存在的氣隙，提高傳熱效率，這是一個優勢，可以大大提高器件的性能和耐用性。
低密度聚乙烯(LDPE)因其優異的絕緣性能、較高的機械強度和良好的循環利用性能，是目前極具吸引力的HMA型TIMs聚合物基體之一。然而，盡管其具有優良的機械和化學性能，以及方便的操作過程，但其低的通平面導熱系數和較差的形狀穩定性阻礙了其作為TIM的實際應用可能性。
因此，許多研究開發了LDPE與六方氮化硼納米片(BNNS)相結合的高導熱復合材料，以在熔體粘附過程中實現高導熱和形狀穩定。然而，較強的化學鍵和強的范德華力會導致BNNS與LDPE的相容性較低，從而導致BNNS與LDPE界面處的相分離和重新聚集。因此，由于這些問題引起的熱阻增加，這可能會大大降低制備好的BNNS/LDPE復合材料的熱導率。如何解決BNNS與LDPE界面熱阻的問題是合成TIMs材料的關鍵問題。
02
成果掠影
韓國的Joong Hee Lee教授 和Ok-Kyung Park教授聯合在關于BNNS/LDPE聚合物復合材料的界面熱阻問題方向取得新進展。
展開 《AFM》：一種自界面柔性熱器件！
根據傅立葉定律：Q=ΔT/Rtc=G ΔT, 即在給定的溫度梯度(ΔT)下，通過接觸界面的熱通量(q)與接觸熱阻(TCR)直接相關。而在各種熱傳輸設備中，使接觸的兩個物體邊界處的接觸熱阻(TCR)最小化是至關重要的。傳統的熱接觸方法有幾個局限性，如TCR高，界面粘附性低，對外部壓力的要求高，以及光學透明度低。
來自蔚山國立科學技術研究所的學者提出了一種自對接柔性熱器件(STD)，它可以在不需要外壓或表面修飾的情況下與平面和非平面基板形成堅固的范德華機械接觸和低阻熱接觸。該設備基于一種獨特的結構，它結合了生物靈感粘合劑結構和由滲銀納米線(AgNW)網絡形成的熱傳輸層。該器件對靶材具有很強的附著性(最大538.9 kPa)，同時在不使用外壓、熱界面材料或表面化學物質的情況下，以較低的TCR(0.012m2 K kW?1)情況下促進了接觸界面的熱傳輸。
展開 一種定向排列的三維氮化硼聚合物復合熱界面材料
來源 |
Journal of Colloid And Interface Science
01
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展，對散熱提出了更高的要求，促使對導熱絕緣熱界面材料(TIMs)的需求快速增長。高分子材料以其優異的可加工性、重量輕、成本低等特點受到人們的青睞。然而，聚合物的固有熱導率通常很低(0.1 ~ 0.5 W/mK)。采用具有高導熱性的填充材料是一種直接有效的策略，可以顯著提高聚合物的導熱性。
六方氮化硼(BN)是一種二維片層陶瓷材料，其面內導熱系數約為300 W/mK，面外導熱系數為30 W/mK。良好的電絕緣性使BN在電子設備的熱管理應用中具有獨特的優勢。然而，由于填料與聚合物基體之間存在較大的界面熱阻，采用傳統的直接共混方法得到的填料/聚合物復合材料的導熱系數通常不理想。在聚合物復合材料中構建三維連續導熱填充網絡已被證明是降低界面熱阻和促進聲子快速傳輸的有效策略，已受到廣泛關注。
此外，BN在整個聚合物中的垂直排列可以進一步充分利用BN良好的面內導熱性，使復合材料的縱向導熱性顯著增強，以滿足TIMs高效垂直散熱的需求。已經開發了各種方法來實現填料的垂直對齊，例如3D打印，外場控制，冰模板法等。通過定向凍結，填料沿著冰晶生長方向排列，形成三維互聯的垂直排列骨架，顯著增強了復合材料的導熱性。因此，開發一種更簡單、更具成本效益的冰模板工藝來實現BN的遠距離垂直有序排列，從而促進高性能TIMs的規模化生產是非常必要的。
展開 
用于電子皮膚熱管理的超薄、柔性、輻射式冷卻界面
然而，柔性電路工作時會產生并積累焦耳熱，導致人體佩戴不舒適甚至面臨皮膚燒傷的風險。此外，戶外溫度、光線以及對流效應同樣會對柔性傳感系統的信號采集造成干擾。因此，開發可以與柔性電子設備良好結合的柔性材料，實現器件散熱、抗環境干擾等功能成為目前國際學界及工業界關注的前沿課題。現有的熱管理技術主要以基于熱傳導和熱對流的方式進行散熱，但是這些散熱模塊因為自身體積、重量以及剛性等限制而不適用于可穿戴柔性電子設備中。
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成果掠影
香港城市大學于欣格/雷黨愿團隊開發了一種通用的熱管理策略，通過使用超薄、柔軟的輻射冷卻界面（USRI），該界面允許通過輻射和非輻射傳熱來冷卻皮膚電子設備中的溫度，從而實現大于56°C的溫度降低。USRI的輕質和固有的柔性使其能夠用作適形密封層，因此可以很容易地與皮膚電子設備集成。從而可以演示包括柔性電路的焦耳熱被動冷卻，提高表皮電子器件的工作效率，以及穩定皮膚界面無線光電體積描記傳感器的性能輸出。這些結果為在先進的皮膚界面電子設備中實現有效的熱管理提供了一條替代途徑，用于多功能和無線操作的醫療保健監測。該論文以“Ultrathin, soft, radiative cooling interfaces for advanced thermal management in skin electronics”為題發表于《Science Advances》。
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圖文導讀
圖1 USRI 的設計。
圖2 USRI的結構和光學表征。
圖3 用于皮膚電子設備中導電互連的被動冷卻。
展開 一種基于高度垂直取向的熱界面材料
對于碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)，通過芯片底部的熱流密度已經從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熱系數、柔軟度和電絕緣性的熱界面材料(TIMs)將產生的熱量高效地傳遞到散熱器。
目前，絕緣TIMs是通過隨機混合導熱和絕緣填料(如氧化鋁、氮化硼和氮化鋁)和聚合物(通常為有機硅)來獲得的，這導致導熱系數低于8 W/mK。更嚴重的是，過高的填充物含量會降低材料的柔軟性和回彈性，在實際應用中會阻礙芯片與散熱器之間的熱傳導。在相對較低填料含量的情況下，提出了一種高通平面導熱系數的策略是調節填料的垂直方向。
六方氮化硼(BN)由于其高導熱系數(面內TC ~400 W/mK與金屬一樣高，面外TC ~30 W/mK)、優異的電絕緣性能和高質量的量產性而成為一種很有前途的導熱填料。利用氮化硼薄片在聚合物中獲得高度垂直定向的氮化硼結構的方法有多種，如電場、磁場、膨脹流輔助方法、3D打印法、疊切法、凍鑄法。然而，BN片的垂直取向度較差，限制了BN-聚合物復合材料的面外導熱系數。
為了實現高度的定向，在制造過程中需要很大的外力來克服BN片的躍遷能壘，但BN片與聚合物分子摩擦產生的高粘度限制了其沿外力方向的旋轉和定向。因此，大多數研究采用大尺寸BN，加大外力，多外力協同作用來優化垂直方向。然而，由于目前還沒有關于BN膜填充聚合物復合材料的系統工作，因此對其通面熱導率仍然是未知的。
02
成果掠影
近期，北京大學白樹林老師針對解決現代電氣器件散熱用的具有高面外導熱系數，優異的柔軟性和電絕緣性對的TIMs取得最新進展。
展開 一種用于芯片散熱的復合相變熱界面材料
需要注意的是，熱界面材料(TIMs)被廣泛用于填補電子元件與散熱器接觸界面處的氣隙，因此在電子元件的散熱中起著至關重要的作用。電子技術的進步需要開發高性能的TIM。增強導熱系數是提高TIMs散熱性能的一種非常有效的方法，這可以通過添加導熱填料來實現。對于粘結厚度（BLT）和接觸熱阻（TCR），它們與硬度密切相關。有報道稱，采用固-液相變材料(PCMs)作為TIMs，即相變TIMs (PCTIMs)，其在吸收電子元件產生的熱量后由固態變為液態，硬度顯著降低，從而降低熱阻。此外，PCTIMs在吸熱前為固態，具有易于安裝的優點。然而，目前的PCTIMs通常存在兩個缺點，液體PCM泄漏和導熱系數低。因此，開發高導熱、形狀穩定的PCTIMs對于實現高效散熱具有重要意義。
02
成果掠影
相變熱界面材料(PCTIMs)受到越來越多的關注，但其導熱系數低，難以顯著改進。近期，華南理工大學傳熱強化與過程節能教育部重點實驗室方曉明研究員取得新成果。該團隊使用垂直排列的短切碳纖維(VASCFs)用于開發具有高導熱性的PCTIMs，這是首次采用該方法開發PCTIMs。由于提供了完整的傳熱路徑，VASCFs獲得了最有效的導熱增強效果，這一點在有限元模擬中得到了進一步驗證。因此，將VASCFs摻入硅橡膠(SR)和石蠟(PA)的材料中，以制造形狀穩定的相變材料。VASCFs/PA/SR材料的導熱系數高達7.00 W/(m·K)，遠高于之前報道的PCTIMs。更重要的是，PA相變引起的熱阻降低導致VASCFs/PA/SR的散熱性能更好，從而使VASCFs/PA/SR相變熱墊具有實際應用潛力。
展開 ansys經典界面-熱應力耦合分析（壓力容器）
“ansys經典界面”相對于“ansys workbench”而言，界面操作的缺點和不便確實是顯而易見的，但是對于初學者而言，尤其是像剛剛入門的研究生而言，確實是了解有限元分析流程的一把利器。
