熱導(dǎo)率分析
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2026-01-05
熱導(dǎo)率分析的實(shí)例教程
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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 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、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?；A(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)識并推動相關(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 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。
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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晶格的超級單體內(nèi)，不同的堆疊模式會產(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 通過第一性原理，該團(tuán)隊(duì)揭示：室溫下β-Si3N4的理論熱導(dǎo)率上限沿c和a軸分別只有169和57 W/mK，并不是之前認(rèn)為的450 W/mK。此預(yù)測不需要依靠擬合參數(shù)或經(jīng)驗(yàn)勢函數(shù)，因此普遍比較準(zhǔn)確。通過預(yù)測值與多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在較寬溫度范圍內(nèi)的比較，研究者發(fā)現(xiàn)之前的實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)達(dá)到理論熱導(dǎo)率上限，因此，實(shí)驗(yàn)上繼續(xù)提高純度和顆粒大小并不會提高熱導(dǎo)率。作為對照，文中還計(jì)算了α-Si3N4，其熱導(dǎo)率沿c和a軸分別為116和87 W/mK。
與其他常用的半導(dǎo)體材料（例如SiC、AlN和GaN）相比，盡管Si3N4 的化學(xué)鍵和機(jī)械強(qiáng)度相當(dāng)甚至更強(qiáng)，但其熱導(dǎo)率要低得多。比如SiC熱導(dǎo)率是400-500 W/mK，AlN熱導(dǎo)率是325 W/mK，GaN熱導(dǎo)率是200 W/mK。通過對比SiC和Si3N4的聲子性質(zhì)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)Si3N4的較低熱導(dǎo)率是由于其較大的三聲子散射空間和更強(qiáng)的非簡諧性導(dǎo)致了較低的聲子壽命和平均自由程。
此外，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)更大的晶胞（原胞中具有更多的原子）導(dǎo)致的較少聲學(xué)聲子占比并不是低熱導(dǎo)率的原因。研究還表明，只有在晶體顆粒尺寸小于1微米時(shí)，熱導(dǎo)率才會比較明顯的受到尺寸影響。
本研究揭示了正確的Si3N4理論熱導(dǎo)率的上限，希望能夠?qū)?shí)驗(yàn)研究有所幫助。研究成果以“Theoretical upper limits of the thermal conductivity of Si3N4”為題發(fā)表于《Applied Physics Letters》。
03
圖文導(dǎo)讀
圖1（a）α-和（b）β-Si3N4的聲子色散關(guān)系和態(tài)密度。
展開 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。
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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，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，電解液消耗則會降低流體部分的有效熱導(dǎo)率而降低電池熱導(dǎo)率?；陔姵?em>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。
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熱導(dǎo)率分析的最新內(nèi)容
熱導(dǎo)式氫氣傳感器在氧中氫分析儀中的應(yīng)用4個(gè)月前
隨著全球?qū)η鍧嵞茉葱枨蟮牟粩嘣鲩L，氫能作為一種高效、清潔且可再生的能源形式逐漸嶄露頭角。其獨(dú)特的性質(zhì)使其成為未來可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。然而，在制氫過程中確保安全性和效率是至關(guān)重要的。本文將探討熱導(dǎo)式氫氣傳感器在氧中氫分析儀（Hydrogen-in-Oxygen Analyzer）中的應(yīng)用，特別是在電解水制氫過程中的關(guān)鍵作用。
制氫技術(shù)概述
目前，制氫方法主要包括化石燃料重整、甲醇裂解以及水電解等
冷媒泄漏監(jiān)測的傳感器到底是選擇熱導(dǎo)原理，還是紅外原理的？在冷媒泄漏監(jiān)測中，選擇熱導(dǎo)氣體傳感器（TCD）還是紅外傳感器（NDIR）通?；诔杀尽h(huán)境適應(yīng)性、維護(hù)需求等實(shí)際因素。冷媒泄漏監(jiān)測傳感器選型具體原因分析：
一、熱導(dǎo)氣體傳感器（TCD）的優(yōu)缺點(diǎn)：
優(yōu)點(diǎn)： 廣譜檢測：基于氣體熱導(dǎo)率差異，理論上可檢測所有冷媒
模流分析服務(wù)能力
國高材高分子材料產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司分析測試中心擁有全套模流分析所需材料特性參數(shù)的高精度測試儀器和先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，能夠快速準(zhǔn)確地獲取材料的PVT性能、剪切粘度、熱導(dǎo)率等模流分析關(guān)鍵參數(shù)，有效解決了一直以來困擾行業(yè)的材料特性參數(shù)獲取難、準(zhǔn)確度不高、周期長等問題。
來源 | Nature Communications
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背景介紹
鋰離子電池是手機(jī)、電動汽車等產(chǎn)品的核心儲能器件。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
來源 | 無機(jī)材料學(xué)報(bào)
作者 | 付師1,2，楊增朝1，李江濤1,2
單位 | 1.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 低溫重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; 2. 中國科學(xué)院大學(xué)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(dǎo)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(fā)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(fù)合材料學(xué)報(bào)，知網(wǎng)
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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；2.豐聯(lián)科光電（洛陽）股份有限公司
原文 | DOI：10.13801/j.cnki.fhclxb.20230714.001
來源 | Materials Today Physics
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背景介紹
扭曲雙層石墨烯(TBG)表現(xiàn)出具有較大第二晶格周期性的moire圖。當(dāng)兩層石墨烯之間的扭轉(zhuǎn)角達(dá)到1.08度時(shí)，出現(xiàn)能帶雜交和避免交叉，導(dǎo)致在Dirac點(diǎn)附近形成平坦帶。這種不尋常的行為被稱為“魔角”，導(dǎo)致了在單層或雙層石墨烯中都不常見的新現(xiàn)象。
來源 | ACS Applied Nano Materials
01
背景介紹
隨著電子設(shè)備的逐步升級，電子元器件也發(fā)生了質(zhì)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(dǎo)致熱量集中，甚至縮短設(shè)備壽命，造成設(shè)備故障。聚合物具有輕質(zhì)、電絕緣、柔韌性等優(yōu)良性能，能夠滿足柔性電子新技術(shù)發(fā)展的需要。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
來源 | jmr&t Journal of Materials Research and Technology
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背景介紹
熱管理對于芯片、發(fā)光二極管(LED)、5G通信等電子電氣設(shè)備的發(fā)展至關(guān)重要。電子器件產(chǎn)生的熱量必須迅速運(yùn)走，從而防止設(shè)備運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障
來源 | Applied Physics Letters
原文 | https://doi.org/10.1063/5.0149298
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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，就會導(dǎo)致器件過熱，進(jìn)而影響性能
