聲子輸運的案例
通過模擬分析揭示微觀尺度聲子對Si-Ge界面熱阻的影響
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。
02
成果掠影
近期，美國匹茲堡大學Sangyeop Lee教授團隊研究了硅鍺界面聲子-界面散射和硅鍺引線聲子-聲子散射對界面總熱阻的綜合影響。
利用動力學蒙特卡羅(MC)技術求解了半無限長Si和Ge引線界面上聲子輸運的穩態Peerls - Boltzmann輸運方程。此外，該團隊計算了聲子-聲子散射產生的局部熵，并定量分析了非平衡聲子在界面附近散射產生的熱阻。通過使用Peerls - Boltzmann輸運方程表明，非平衡聲子在Si-Ge界面附近的聲子-聲子散射產生的阻力遠大于界面散射直接引起的阻力。
根據玻爾茲曼H定理，聲子非平衡分布導致了聲子散射時產生顯著的熵和熱阻。用聲子色散、態密度和群速度的不匹配解釋了鍺中非平衡聲子的物理起源，為預測非平衡聲子對界面熱阻的影響提供指導。該團隊的工作清楚地表明，除了先前研究的原子尺度外，界面熱輸運還需要在微觀尺度上理解。該研究彌補了原子尺度和微觀尺度現象之間的差距，提供了對整體界面熱運輸和聲子-聲子散射的重要作用的全面理解。
展開 聲音的彩虹...
如果用 Igor Tamm 引入的聲子概念(1932) 來描述晶格振動，則基于 Debye 提出的連續介質假設，這些聲子是一排排齊頭并進的彈性波，它們具有相同的速度 (圖 3c直線的斜率)。因此，不同頻率的聲波不會像行進于介質中的光那樣由于速度不同而慢慢散開、形成彩虹。
注意到，這樣的線性聲子分布表明，聲子行進速度是一個常量，從而簡化了聲子輸運的量化公式。這種不具備形成彩虹能力的線性聲子分布近似，成為最近一個世紀以來固體晶格熱傳導的理論基礎，推動了熱傳輸理論的發展。很顯然，Debye 學得了 Einstein 的精髓，以實驗現象為出發點，大膽假設、小心求證，方得圓滿。他對聲子輸運的定性 / 定量分析結論簡明扼要、亦通俗易懂。這種簡便、親民的作風，使得我輩不費力氣即窺得個中奧妙，也成就了 Debye 近似的名聲。
但是，Debye 的“罪惡”在于他抹殺了聲的彩虹。如果任其下去，會讓對癡情于聲子的科學人缺少了一環人生的浪漫，難以繼續一起愉快玩耍。
3. 青年之聲
時光流逝，到了近期，伴隨測量技術與知識的積累與提升，科學人對聲與熱傳導過程之間的聯系理解更為深入。越來越多更高品質的數據表明：相較于實驗結果而言，基于 Debye 線性聲子分布預測的晶格熱導率呈現出整體高估的趨勢 (圖4)。這一現象在極端情況下尤為明顯。若以極低晶格熱導率的非晶材料為例，宏觀近似下的 Debye 線性聲子分布與真實實驗值比較有大幅偏差 (圖5)。
由此，問題來了：是不是這樣速度相同、整齊劃一的線性分布聲子“部隊”并沒有完整反映出實際晶體的真實聲子色散呢？聲的世界與人的世界應該類似，怎么可能整齊劃一呢？人類社會最大的問題就是做不到整齊劃一，而最大的問題也出在偶爾做到了整齊劃一！
展開 澳大利亞南昆士蘭大學陳志剛&昆士蘭大學鄒進團隊：通過引入面空位缺陷陣列和能帶工程來實現高性能GeTe
聲子傳輸的模擬證實了平面空位在散射中頻聲子中的重要作用。這種高密度的平面空位與晶界和點缺陷一起，導致Ge1-x-yCdxBiyTe中的晶格熱導率急劇下降。最終，實現了2.2的峰值zT，這促使GeTe成為一個尖端熱電材料的梯隊。
【成果簡介】
針對GeTe的多能帶現象，研究者們利用Cd參雜來減小這些能帶間的能量差，這個現象被計算的能帶得以證實。而且，測試的電性能參數確實得到有效提升，詳細的電子輸運模擬分析發現，塞貝克系數的提升是源于次能帶的貢獻增加導致的。但載流子濃度在Cd參雜的GeTe中依然偏高。利用Bi參雜，有效降低載流子濃度，使得功率因此實現較優化的值。測試的熱導率也顯著降低。為深入理解此種現象，研究者們做了大量的TEM和球差STEM電鏡表征。發現這種材料中存在大量的面空位陣列。聲子輸運模擬揭露出，此種新型面空位陣列主要散射中頻聲子，結合材料中的晶界以及由于參雜帶來的點缺陷，就實現了一種寬頻聲子散射機制。從而就得到了顯著降低的熱導率。
在該項成果發表之前，課題組先研究了GeTe相變對熱電性能的影響。首先利用Sb參雜來調控載流子濃度，實現較優化的功率因子。在此基礎上，利用In參雜來實現DOS在費米能級處的局部畸變，從事實現功率因子的進一步增大。在Sb和In共參雜的GeTe中，研究者們發現相變溫度有所降低。首先，利用原位變溫XRD譜，得到了一些列不同溫度下的GeTe的晶格參數，根據這些晶格參數，計算了相應溫度下的能帶和聲子色散譜。GeTe的能帶結構中，有兩個不同的價帶可以參與載流子傳輸。隨溫度升高，價帶見的能級差降低，在相變位置處，能級差產生顯著降低的跳躍。Cubic相對于更小的能級差，而且能帶簡并度顯著增大。從而高溫相對于的電性能會更好。
展開 石墨烯基散熱薄膜的研究進展
通過第一性原理計算摻雜石墨烯的k，發現摻雜石墨烯的k僅為原始石墨烯的約10%，這表明石墨烯中的雜原子增強了電子-聲子散射。
圖8.(a)石墨烯結構缺陷示意圖,(b)不同缺陷比下石墨烯帶的導熱系數,(c)歸一化熱導率與平均自由程的關系,(d)不同類型聲子的弛豫時間。
除了同位素或雜原子摻雜效應外，Stone-Wales、空位或線缺陷等固有結構缺陷也對聲子輸運有影響。Xie等人發現之字形石墨烯納米帶中的熱輸運受到歸一化導熱系數較低的拓撲線缺陷的影響。Islam還計算了空位缺陷對石墨烯聲子性質的影響。隨著空位的增加，聲子散射受到影響。Tan等人。采用非平衡格林函數法模擬了具有五邊形-七邊形缺陷的石墨烯的熱輸運性質。結果表明，PHD對鋸齒形和扶手椅形方向都有影響，k對缺陷區域的寬度不敏感。缺陷影響的詳細計算結果表明，即使在0.23%的低濃度下，單缺陷、雙缺陷和Stone-Wales缺陷的k值也分別降低了~57.6%、~42.4%和~31.9%。
2.2 尺寸效應
石墨烯片的晶粒尺寸也是決定彈道或擴散聲子輸運的重要因素之一。值得注意的是，晶粒尺寸與橫向尺寸不同，例如大尺寸的氧化石墨烯薄片甚至可以達到10000 μm2，但由于結構缺陷，其晶粒尺寸仍然很小。已知聲子平均自由程(MFP)長度對熱輸運有重要貢獻。Xu等人在室溫下測量了石墨烯片(最長尺寸為9)，其κ值為1689 W/mk至1813 W/mk。此外，NEMD對石墨烯中熱傳遞的刺激與實驗相似。觀察到k隨著樣本長度的增加而增加，當L比平均MFP長一個數量級時，k的比例為logL。
展開 
反鐵電PbZrO?薄膜中低電壓驅動的高性能熱開關
熱傳遞的一種形式是聲子傳輸，雖然調制聲子比電子面臨更大的挑戰，但由于聲子器件的概念化，聲子輸運的主動和可逆控制以減輕與熱相關的擔憂已經激發了人們廣泛的研究興趣。
到目前為止，聲子輸運或導熱系數k(即熱開關)的主動可逆控制已經通過許多不同的方法進行了探索：應變工程、光觸發分子鏈排列、電化學控制相變或離子插層、溫度觸發相變、電場驅動疇壁密度變化等。在實際應用中，高性能熱開關應滿足三個關鍵條件：高開關比、大開關周期和短開關時間。盡管對各種材料的熱開關方法進行了廣泛的研究，但很難找到一種在室溫下滿足所有三個基本條件的材料。鐵電體因其可調控的疇結構而成為熱開關的理想候選材料。然而，鐵電體的開關比很低（<1.2）。
02
成果掠影
東南大學陳云飛團隊和哈爾濱工業大學（深圳）陳祖煌團隊聯合報告了高質量的反鐵電 PbZrO3 外延薄膜在小電壓（<10 V）下表現出高對比度（>2.2）、快速度（<150 納秒）和長壽命（>107）的熱轉換性能。原位互易空間映射和原子模型顯示，場驅動的反鐵電-鐵電相變引起原始晶胞尺寸的顯著變化，這極大地調節了聲子-聲子散射相空間，并導致了高開關比。這些結果推進了鐵電材料熱傳輸控制的發展。研究成果以“Low voltage–driven high-performance thermal switching in antiferroelectric PbZrO3 thin films”為題發表于《Science》。論文第一作者為南京師范大學劉晨晗副教授、哈爾濱工業大學（深圳）博士研究生司洋洋和東南大學博士研究生張華。
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圖文導讀
圖1. 熱開關示意圖和導熱系數調控機理。
展開 清華大學曹炳陽老師——HEG小組2023年成果集錦
題目：Bias dependence of non-Fourier heat spreading in GaN HEMTs
介紹：本文采用計算機輔助設計(TCAD)和聲子蒙特卡羅(MC)模擬相結合的方法，研究了氮化鎵(GaN)高電子遷移率晶體管(hemt)的自加熱問題。仿真結果表明，通道中偏置相關的熱生成會同時對熱擴散過程和聲子彈道效應產生顯著影響。在雙熱源模型的基礎上，我們提出了一個考慮偏置相關聲子輸運的雙導熱模型來預測HEMT中器件結溫。該模型易于與基于有限元法的熱分析相結合，無需耗時的多尺度電熱模擬。
題目：Near-junction phonon thermal spreading in GaN HEMTs: A comparative study of simulation techniques by full-band phonon Monte Carlo method
介紹：精確的熱模擬對于GaN HEMTs的近結熱管理和電熱協同設計至關重要。雖然已經采用了各種方法來模擬GaN中的聲子熱傳輸端口，但尚未對其性能和可靠性進行全面評估。在這項工作中，基于第一性原理的穩態全波段聲子跟蹤蒙特卡羅(MC)模擬研究了GaN hemt的熱擴散阻力。全頻帶MC的結果作為一個標準，對三種廣泛使用的模擬GaN中近結聲子輸運的方法的適用性、準確性和計算效率進行了徹底的檢驗。比較突出直接將第一性原理計算的聲子性質納入器件熱模擬的重要性，并且本文可以更清楚地了解GaN中的近結熱輸運，并且可以用于GaN基器件的熱模擬。
展開 研究 \\ 超細晶和納米多孔材料的高效熱電制冷性能
除了邊界或界面，孔隙率是另一種有效的策略，有望干擾聲子輸運以提高ZT。根據有效介質理論，導熱系數隨孔隙率的增加幾乎呈線性減小。如果電輸運受到的影響較小，則可以凈增加功率因子與熱導率的比值PF / κ，從而獲得增強的ZT，這已經在BiSbTe、SnTe和方鈷礦中實現。然而，納米級孔隙對熱電性能的作用目前仍存在爭議，因為在某些情況下，電導率的降低速率比熱導率的降低速率快得多，這將導致ZT惡化。這種明顯的反差可能與孔隙的大小和分布以及材料的本征性質有關。
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成果掠影
納米晶粒和孔隙作為兩種常見的微結構缺陷，能夠阻礙聲子的傳輸。然而，迄今為止，納米晶粒在高溫下的穩定性以及多孔性在提高熱電優值ZT方面的可行性仍是熱電領域關注的問題。近日，哈工大材料學院隋解和教授、劉紫航教授和西安交通大學、中科院物理研究所組成的研究團隊首次利用超細晶和多孔結構的鎂銀銻（MgAgSb）基熱電材料制備了高性能熱電制冷器件，在α-MgAgSb中設計的主要由納米晶區域內的超細晶粒和隨機分布的孔隙組成的微結構，在300?K時，產生了超低的晶格熱導率0.46?W/mK，突破了估計最小值的限制，為熱電制冷性能優化提供了新思路。研究成果以“Highly efficient thermoelectric cooling performance of ultrafine-grained and nanoporous materials”為題發表在《Materials Today》上。
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圖文導讀
圖1.
展開 魔角扭曲雙層石墨烯熱導率的研究
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。
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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 綜述熱管理材料—石墨烯
石墨烯有趣的熱性質可以用二維晶格中長波長聲子輸運的特性來解釋。石墨烯中的長波聲子具有異常長的平均自由程，即使熱輸運是擴散的，也受樣品尺寸的限制。后者可以通過注意到三聲子Umklapp散射不足以恢復二維晶格中的熱平衡來解釋，而不像在三維晶格中。這種效應的一個含義是，少量層石墨烯的熱導率與樣品中原子面數的異常依賴
圖1.第一次使用拉曼光熱方法測量石墨烯的熱導率。
石墨烯優異的熱性能及其柔韌性激發了對其衍生物的廣泛研究，包括氧化石墨烯、石墨烯薄膜、石墨烯纖維、石墨烯泡沫、石墨烯層壓板、石墨烯熱界面材料(TIMs)等，用于熱管理應用。以石墨烯及其衍生物作為填料的各種復合材料已經被開發出來。液相剝離(LPE)石墨烯和少層石墨烯薄片的混合物在導熱膠和導熱相變材料中作為填料表現優異。石墨烯由于其與基體材料良好的熱耦合性和較低的成本，是熱復合材料中比碳納米管(CNTs)更好的填料。由懸浮液中剝離的石墨烯薄片制備的米級石墨烯薄膜具有優異的熱性能，并顯示出作為導熱材料的巨大潛力。
另一種很有希望用于熱管理的二維材料是氮化硼(BN)，它的晶格與石墨烯相似，但硼和氮化硼原子交替排列在六邊形結構(hBN)中。理論上，hBN具有高達1700-2000 W/(mK)的高導熱系數，因此它被用于開發TIMs和散熱器。更重要的是，hBN是一種電絕緣材料，這使得它成為石墨烯及其衍生物在不允許導電的情況下的重要戰略和非常好的補充。
在本文中，我們將回顧使用石墨烯基材料以及其他二維材料(如hBN)進行熱管理的最新進展。首先簡要介紹傳熱的基本機理。之后，將詳細回顧和總結用于熱管理應用的各種石墨烯基材料，包括其衍生物和相關的二維材料。
展開 .: 由晶態到部分晶態部分液態的熱輸運轉變
【引言】
完美晶體中的傳熱已經被詳盡研究，并已在熱電、聲子材料等很多領域有著重要作用。然而，仍未能在基本層次理解相變材料的部分晶態部分液態的熱傳輸。從實際角度出發，對相變材料中部分晶態部分液態的熱傳導性質的深入理解，對于優化其熱電性能和解決鋰電池中的過熱問題有著重要意義。盡管為解釋相變材料極低的熱導率，前人提出了如類振蕩熱衰減和強非諧的唯象解釋。熱導率和液體運動之間的定量關聯，以及晶態部分中的聲子輸運是如何被液態運動影響的，還有待研究。
【成果簡介】
相變材料在熱點轉換器和電池電極中應用廣泛。近日，德國亞琛工業大學/美國加州大學洛杉磯分校(UCLA)的Yanguang Zhou博士、蘇州大學熊世云副教授、法國巴黎中央理工學院的Sebastian Volz研究員和德國亞琛工業大學/美國南加州大學的Ming Hu博士（共同通訊作者）合作，在Nature Communications上發表了題為“Thermal transport crossover from crystalline to partial-crystalline partial-liquid state”的文章。在該工作中，作者報道了相變材料Li2S中驅動液態組分熱傳導的隱含機制，以及聲子對熱導率的貢獻、極短平均自由程的振動、液態和晶格-液態相互作用。溫度不大于1000K處于晶態時，溫度依賴的熱導率表現出兩種不同行為；當溫度大于1100K時，對于部分液態部分晶態的Li2S，由于Li離子的流體化，液態和晶格-液態相互作用的貢獻顯著增加，在溫度為1300K時，極短平均自由程的振動據推測轉變為擴散，貢獻總熱導率上升至46%。
展開 小盤點：這些國內團隊做出了世界頂級熱電材料研究
先后開發了聲子液體電子晶體材料、類金剛石結構、籠狀化合物、有機熱電材料和有機/無機復合熱電材料、熱電薄膜與微型熱電薄膜器件。課題組研究發現Cu2-δX（X=S, Se，Te）作為一種“聲子液體電子晶體”材料，具有優良的熱電性能，其ZT值最高達1.5-1.7，可與傳統熱電材料相媲美。
另外還提出了一種篩選熱電材料的贗立方結構原理，在此類結構中部分長程有序離子構成立方或者接近立方的框架，為載流子提供優良的輸運通道，而其它部分離子在短程上形成具有不同鍵長、鍵角和排列方式的不規則四面體，可以阻礙熱聲子輸運，這為篩選出新型高性能熱電材料提供了新的思路。
李敬鋒組
李敬鋒1984年畢業于華中科技大學并由政府公派日本留學，分別于88年和91年獲得日本東北大學材料系碩士和博士學位。91年4月至92年2月在日本陶瓷技術公司工作，92年至97年任日本東北大學材料系助理教授，97年3月至02年9月任日本東北大學材料系副教授，期間（98年3～5月）由日本政府派出在美國華盛頓大學機械系做訪問學者，02年2月回國受聘于清華大學材料科學與工程系任教授。李敬鋒組的研究范圍包括高性能熱電材料、壓電陶瓷與器件、MEMS材料技術。通過摻雜Li，Na和K系統研究了SnSe的熱電性質，發現Na的摻雜效果最好， 在800 K時，在1％Na或K摻雜的SnSe中實現了最大ZT為?0.8。張清杰組
作為武漢理工大學的校長，去年張清杰新晉當選中國科學院院士。之前同日本科學家合作出了將基于高效熱電材料的太陽能熱電轉換技術與基于光伏電池材料的太陽能光電轉換技術進行集成復合的太陽能熱電—光電復合發電技術，研制出了具有中日雙方各50%知識產權的國際上第一臺太陽能熱電—光電復合發電的實驗系統。
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納米流體簡介及其相關應用
圖1 三種納米流體增強導熱系數機理
(a) 固液界面間形成的高導熱層液相結構，加速熱傳遞過程；
(b) 固體顆粒中的彈道和擴散聲子輸運（納米顆粒固有的熱傳遞特性）；
(c)有效體積理論增強導熱系數
【納米流體的應用】
作為一種新型的高效、高傳熱性能的熱量輸運介質，納米流體可有效提高熱系統的傳熱性能，提高熱系統的高效低阻緊湊等性能指標，滿足熱系統高負荷的傳熱冷卻要求，滿足一些特殊條件(微尺度條件)下的強化傳熱要求，因此理論上它可以廣泛的應用于化工、能源、航天航空、汽車、空調制冷、電子、計算機等領域（如圖2），對于提高熱交換系統的經濟性、可靠性和小型化有重要的意義。
圖2 納米流體的應用領域
(1)納米流體在太陽能蒸餾的應用
太陽能蒸餾系統主要用于海水淡化及凈化，其生產效率主要取決于傳熱機理和工作溫度。納米流體的引入能極大的提高蒸餾效率，提高海水淡化產量，因此也受到了國內外比較廣泛的關注。
Sharshi等人分析了納米流體和玻璃罩冷卻對太陽能蒸餾系統性能的增強作用[6]。結果表明，在使用氧化銅納米流體和石墨微薄片納米流體時，太陽能蒸餾器的生產效率分別提高了44.91%和53.95%。此外，用氧化銅納米流體和石墨納米流體能分別提高約47.80%和57.60%的產量。
最近，筆者所在研究團隊采用四氧化三鐵改性的碳納米管制備了納米流體，并將其應用于太陽能蒸餾系統[7]。實驗發現，隨著磁MWCNTs納米流體濃度提高，蒸發效率從24.91% (0 wt%)增加到76.65% (0.04 wt%)（如圖3）。
展開 導熱聚合物材料的發展趨勢：關鍵因素、進展與展望
01
熱傳導機制
電子、聲子和光子是固體熱傳導的主要載體。物質的熱傳導是由這些粒子的碰撞和相互作用產生的。聚合物基導熱材料通常在相對較低的溫度下使用，因此光子對材料導熱性的貢獻很小，通常主要考慮電子和聲子。絕緣體通過聲子進行傳熱，其熱導率的大小取決于聲子的平均自由程。聲子散射決定了聲子的輸運行為。固體材料中的聲子散射主要包括聲子-聲子散射、晶格缺陷引起的聲子散射、同位素原子質量差異引起的聲子散射和聲子邊界散射。描述聲子熱導率的物理模型大致可分為宏觀、微觀和介觀三大類。微觀模型是通過模擬原子之間的相互作用，利用統計方法從粒子的微觀信息中獲得宏觀量，從而直接研究原子或分子等微觀粒子的運動。微觀模型主要包括分子動力學方法(基于經典力學中的牛頓方程)、第一性原理計算和非平衡格林函數方法(均基于量子力學中的Schr?dinger方程)。宏觀模型是一種自上而下的建模思想，它考慮了基于傅里葉方程的更微觀的物理過程，并通過建立相應的數學模型來描述微納米尺度上傳熱的非傅里葉效應。宏觀模型(一般稱為廣義傅立葉定律)包括聲子流體動力學模型、雙相位滯后模型、彈道擴散模型、熱氣體模型和粘性熱模型。基于聲子玻爾茲曼方程的介觀模型忽略了聲子輸運過程中的波動效應，借鑒了氣體輸運機制理論，利用聲子分布函數來描述不同聲子模式的分布，從而建立了描述聲子輸運的動態理論框架。
由于聚合物鏈的隨機糾纏，聚合物的高分子量和分散性意味著聚合物很難形成完整的晶體。半結晶聚合物包含少量的晶體區域，其中原子緊密相連，通過晶格的振動實現熱傳遞。在聚合物中建立長程有序時，晶格的振動可以允許沿分子鏈的快速熱傳遞(圖3b)。而在非晶體區域，熱傳導是通過固定位置周圍不規則分子的熱振動來實現的，并將熱能依次傳遞給相鄰分子(圖3c)。
展開 熱傳播變得像流體一樣，非傅立葉定律。（轉載）
新研究為傳輸理論提供了新且獨到的見解，也為理解形狀和尺寸效應鋪平了道路，例如，下一代電子設備和所謂的控制冷卻和加熱“聲子”的設備。最后，這一新公式可以用來描述與電有關的粘性現象，這是由現任瑞士聯邦理工學院材料研究所教授菲利普·摩爾(Philip Moll)在2017年發現的。在這項研究中，研究人員將微觀積分-微分聲子玻爾茲曼輸運方程粗粒度化為介觀(更簡單)微分方程，他們稱之為“粘性熱方程”。這些粘性熱方程捕捉到了固體（“聲子”）中的原子振動假定，與流體相似的集體(“漂移”)速度區域。展示了如何以封閉的形式，準確地確定導熱系數和粘度，作為散射矩陣的特征向量之和“relaxons”概念，這是Cepellotti在2016年提出的一個概念，他因此獲得了IBM研究獎和美國物理學會大都會獎。“relaxons”具有明確的奇偶性，偶“relaxons”決定熱粘性，奇“relaxons”決定導熱系數。而導熱系數和粘滯控制著這兩個耦合粘性熱方程中溫度場和漂移速度場的演化。科學家們還引入了傅立葉偏離數(FDN)，這是一個無量綱參數，可以量化由于流體動力效應而偏離傅立葉定律的程度。傅立葉偏離數是一個標量描述符，它描述了由于粘性效應引起的傅立葉定律偏差，起到了類似于流體雷諾數的作用，雷諾數是工程師用來區分Navier-Stokes方程解的不同可能行為參數。
（https://view.inews.qq.com/w2/20200131A00D2P00?tbkt=C1&strategy=&openid=o04IBAIjuTinKZkAArl5h4_W1cEM&uid=&refer=wx_hot
展開 熱管理用高導熱碳化硅陶瓷基復合材料研究進展
對于非金屬晶體，提高材料導熱性能的關鍵在于增大聲子平均自由程(phonon mean free path)，減少由晶格振動引起的聲子散射，從而提高材料熱輸運效率。目前，提高碳化硅陶瓷基復合材料導熱性能的手段主要有：1)引入高導熱相，提高碳化硅陶瓷基復合材料熱導率；2)優化復合材料基體與增強體之間的界面，減少界面熱阻；3)高溫熱處理促進碳化硅晶粒長大，獲得結晶度更高的導熱相；4)設計導熱通路構筑有效的熱輸運網絡；使制備的碳化硅陶瓷基復合材料具備優異的熱物理性能，成為潛在的新一代結構-功能一體化先進復合材料。
本文總結了熱管理(Thermal Management, TM)用高導熱碳化硅陶瓷基復合材料的制備工藝及其熱物理性能相關研究工作，結合目前研究現狀，展望了后續高性能碳化硅陶瓷基復合材料的發展方向。
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