熱導率分析的案例
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
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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 相變過程材料的熱導率
熱導率是材料的基本物理屬性之一，在很多領域起著重要甚至決定性的作用。具有高熱導率的材料常在散熱方面用途廣泛，而具有低熱導率的材料則主要應用于隔熱領域。熱導率的定義以及測量均需要絕熱條件，即材料和環境之間無能量交換，熱量只能沿著材料從高溫傳導至低溫。目前材料熱導率的測試技術已相當成熟，特別針對塊體材料，熱導率相關參數的測量均已有國際和國家標準，以及成熟的商用儀器。
相變是很多材料具有的一項特性。相變材料在固態存儲、光電開關、能量轉換等領域具有廣泛的應用。眾所周知，發生相變時，材料和環境之間存在顯著的能量交換，會與熱量的傳遞強烈耦合。因此，材料相變過程中熱導率的理解和測量顯然不同于絕熱條件下的情形，是一個未知而又非常基礎和重要的科學問題。對該問題的研究有望帶給人們新的認識并推動相關的應用。
特別在現階段，針對材料相變過程中的熱導率，出現了很多不一致甚至完全相對立的理解和實驗數據。例如，Cu2S、Ag2S等具有一級相變，其電性能在相變時不存在拐點，很平滑地從低溫相變化至高溫相，但它們的熱導率卻出現了反常的拐點，在相變時低于低溫相和高溫相的數值；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理論熱容值分別計算得到的熱導率，在相變區域具有截然相反的變化趨勢。
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 氮化硅(Si3N4)的理論熱導率上限
通過第一性原理，該團隊揭示：室溫下β-Si3N4的理論熱導率上限沿c和a軸分別只有169和57 W/mK，并不是之前認為的450 W/mK。此預測不需要依靠擬合參數或經驗勢函數，因此普遍比較準確。通過預測值與多組實驗數據在較寬溫度范圍內的比較，研究者發現之前的實驗中已經達到理論熱導率上限，因此，實驗上繼續提高純度和顆粒大小并不會提高熱導率。作為對照，文中還計算了α-Si3N4，其熱導率沿c和a軸分別為116和87 W/mK。
與其他常用的半導體材料（例如SiC、AlN和GaN）相比，盡管Si3N4 的化學鍵和機械強度相當甚至更強，但其熱導率要低得多。比如SiC熱導率是400-500 W/mK，AlN熱導率是325 W/mK，GaN熱導率是200 W/mK。通過對比SiC和Si3N4的聲子性質，團隊發現Si3N4的較低熱導率是由于其較大的三聲子散射空間和更強的非簡諧性導致了較低的聲子壽命和平均自由程。
此外，團隊發現更大的晶胞（原胞中具有更多的原子）導致的較少聲學聲子占比并不是低熱導率的原因。研究還表明，只有在晶體顆粒尺寸小于1微米時，熱導率才會比較明顯的受到尺寸影響。
本研究揭示了正確的Si3N4理論熱導率的上限，希望能夠對實驗研究有所幫助。研究成果以“Theoretical upper limits of the thermal conductivity of Si3N4”為題發表于《Applied Physics Letters》。
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圖文導讀
圖1（a）α-和（b）β-Si3N4的聲子色散關系和態密度。
展開 
基于電池熱導率測量的電池監測方法
特定運行工況（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。深入理解真實世界的電池衰減是提升實際應用中電池壽命、安全性及可靠性的關鍵，依賴于先進的電池傳感技術。多種傳感信號已被用于電池監測，如溫度、壓力、電化學、聲學及光學等，然而，大多數現有傳感技術具有復雜、嵌入式和定性的特點，難以用于長期獲取商業電池的定量衰減信息。
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成果掠影
近期，南方科技大學曾玉強助理教授課題組在電池傳感領域取得新進展，建立了電池衰減相關的熱導率模型，將電池熱導率作為電池衰減的定量監測指標，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，團隊以電極熱導率為傳感信號，基于電極熱導率和鋰離子濃度之間的定量關系，量化了電極厚度方向的熱導率和鋰離子濃度的空間分布。在此基礎上，團隊利用電池熱導率對電池結構變化的強依賴性，將其作為電池衰減的定量指標。根據團隊建立的電池熱導率模型，電池的兩種主要衰減機制對其熱導率有著相反的影響：析鋰會降低負極顆粒與隔膜之間的緊縮熱阻而提高電池熱導率，電解液消耗則會降低流體部分的有效熱導率而降低電池熱導率。基于電池熱導率模型，團隊開發了熱傳感方案，用于電池衰減的非嵌入式監測和定量評估。該方案由電池熱導率模型標定和熱導率實時測量兩部分組成。概念驗證研究表明，由實時測量的熱導率變化及趨勢，可以反推電池衰減源的演變過程，進而定量區分鋰沉積以及與副反應和鋰沉積相關的電解液消耗。以不同熱管理條件下的電池快充為例，高溫抑制了鋰沉積導致的電池衰減，但加速了電解液的消耗，兩種衰減機制之間的平衡決定了電池的最佳運行溫度。
展開 lammps案例：石墨烯熱導率模擬計算（EMD方法)
在前面的文章中，介紹了非平衡態下石墨烯的熱導率模擬方法，本文介紹第二種熱導率模擬方法：使用平衡態分子動力學（EMD）計算熱導率。
本文仍然以石墨烯熱導率計算為例，以供大家對比參考。
在平衡態下計算熱導率，主要計算公式為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為原子動能，myPE為原子勢能，myStress為原子應力。
在使用compute heat/flux命令前，必須提前計算出這三個量的值。
下面給出石墨烯EMD熱導模擬代碼，代碼已經注釋。data文件可自己建模，也可加微信sunnyfirst888聯系獲取。
熱導率具體計算方法在集訓營會有詳細介紹，如有需要可微信聯系。
案例代碼
本文作者小馬老師正式推出一對一咨詢輔導服務，根據課題方向不同詳細講解對應的in文件編寫方法、模擬關鍵技術、數據后處理，經一對一咨詢輔導后能夠獨立編寫出in文件。
公眾號:
320科技工作室
展開 碳纖維/聚合物復合材料熱導率近十年研究進展
Wu 等人采用重力驅動冰模板法將 CFs 沿水平方向排列并制備了具有同軸向排列的 CFs/EP復合材料，發現當添加 22.3vol%的 CFs，復合材料的熱導率達到 7.98 W/(m·K)，比隨機分散的 CFs 制備復合材料熱導率 0.76 W/(m·K)提高了 950%。
Hou 等人采用定向冷凍技術定向處理 CFs制備了 CFs/PDMS 復合材料，發現添加 12.8vol%的 CFs 時，CFs/PDMS 復合材料熱導率為 6.04W/(m·K)，比隨機分散 CFs 制備的復合材料熱導率1.81 W/(m·K)提升了 233.71%。
根據以上文獻可知，同向排列的 CFs 具有較好的提升復合材料熱導率的效果，這主要是因為CFs 定向后，熱量沿著 CFs 軸向傳遞，使得復合材料的熱導率大幅提升，對比上述數據可知，重力模板法定向 CFs 的效果更好，熱導率提升率更大。除定向外，部分研究人員還通過對 CFs 進行編織來構建導熱通道，提升復合材料的熱導率。
Dong 等人研究了二維機織結構 CFs 增強EP 的熱導率，二維機織復合材料在 3 個正交方向上的熱導率表現出明顯的各向異性。沿 CFs 軸向的熱導率高于 CFs 徑向的熱導率，面內方向的熱導率高于厚度方向的熱導率。
Dong 等人通過有限元分析了三維編織 CFs增強 EP 復合材料熱導率，結果表明：三維編織可提升厚度方向的熱導率，使其高于面內方向的熱導率，熱流主要沿 CFs 軸向傳遞，復合材料的熱導率隨著溫度升高而升高。
Gou 等人用有限元分析了三維編織 CFs 體積分數和內部編織角對 EP復合材料熱導率的影響。復合材料厚度方向和面內方向的熱導率隨 CFs 體積分數的增加而增加，內部編織法向夾角減小導致厚度方向熱導率的增加，面內熱導率降低。
展開 Lsdyna中熱導率的單位制轉換問題，ton mm
Lsdyna中熱導率的單位制轉換問題，ton mm S和g cm us之間的轉換系數是多少
JPCL：孤立電子對一定會導致低熱導率嗎？
傳統上，結構、元素組成、缺陷等，都對材料的晶格熱導率(κL)有著重要的影響。此外，結構化學和局域的成鍵環境也會影響κL。在第13、14和15族元素及其各自的化合物中，由s2價電子對組成的孤立電子對，當其表現出立體化學活性時，可引起配位原子周圍晶格的扭曲和低的結構對稱性。由于晶格振動和聲子散射可被局域原子環境影響，對于三維塊體材料，晶格非簡諧性可以被有立體化學活性的孤立電子對所改變。
長期以來，由于孤立電子對導致的非簡諧性，一般認為孤立電子對存在的系統均會具有較低的晶格熱導率，且晶格熱導率可通過改變孤立電子對的電化學活性強度進行調節。然而，至今少有關于孤立電子對對低維材料（如二維材料）晶格熱導率影響的報道。在二維材料中，孤立電子對是否仍像在三維材料中那樣，驅使低晶格熱導率呢？
【成果簡介】
近日，由國內東北大學的Huimin Wang（單位通訊作者：Qiang Wang）和德國亞琛工業大學（RWTH Aachen University，Germany）的Guangzhao Qin（單位通訊作者：Ming Hu，現任職于美國南卡大學）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和其相應無孤立電子對的penta-graphene、graphene四個系統的深入對比研究，發現在二維材料中，孤立電子對不一定導致低晶格熱導率，其晶格熱導率的反常增加挑戰了傳統理論上的認識。進一步的研究發現，在二維penta-CN2中，除了其本身的電化學活性之外，孤立電子對的空間分布形態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，進而影響晶格非簡諧性，起到對晶格熱導率的調控作用。
展開 我國科學家研發出具有超低熱導率的熱電材料
1月22日，從中科院合肥物質科學研究院獲悉，該院固體所物質計算科學研究室張永勝研究員課題組，在熱電材料低熱導率研究中取得新進展，相關結果日前發表在國際著名的《物理評論B》上。
熱電材料可以實現熱能和電能之間的相互轉化，其轉換效率可以用無量綱的ZT值來衡量，ZT值越大，熱電轉換效率越高。目前報道的熱電材料轉換效率較低，尋找具有較低熱導率的材料是提高熱電材料轉換效率的一個重要方法。由于礦石材料具有很低的熱導率，并且價格低廉而受到科研人員廣泛關注，其中兩種同構同型的礦石材料CuBiS2和CuSbS2的實驗測量熱導率值差別很大，室溫下CuBiS2的熱導率僅為CuSbS2的1/3，因此探索影響材料低熱導率的物理機制對設計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具有較低熱導率的物理機制。研究表明，CuBiS2和CuSbS2中的Bi和Sb原子都含有孤對電子，而孤對電子會導致材料有較強的非簡諧性，進而兩種材料都有較低的熱導率。這種孤對電子和原子振動的協同作用導致CuBiS2相對于CuSbS2具有更低的熱導率。相關研究表明，孤對電子和原子振動的協同效應對聲子非簡諧性有著重要影響。
這一研究成果，將為尋求和設計具有超低熱導率和高效率的新型熱電材料提供了嶄新的思路。
來源：新材料技術前沿
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新材料技術前沿
展開 靜電紡絲技術增強金剛石納米片/聚合物復合膜的熱導率
然而，聚合物的低固有熱導率限制了它們在電子領域的應用為滿足散熱需求，通常在聚合物中加入填料，以增強聚合物復合材料的導熱性。
傳統混合方法得到的復合材料不僅填料在聚合物中的分布無序，當填料含量較低時不能形成導熱網絡，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，但該方法的實際應用受到填料狀態和加工方法的影響。因此，尋找一種有效的方法來提高低填料負載下聚合物復合材料的熱導率仍然是一個具有挑戰性的課題。
靜電紡絲技術不僅操作簡單，而且對纖維的直徑、形態和性質的控制效果好。但是，簡單的單軸靜電紡絲在構建特定結構方面存在局限性，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構的靜電紡絲來構建獨特的結構，從而提高復合材料的導熱性能。靜電紡絲技術因其在構建連續納米纖維方面的獨特優勢而受到廣泛關注。
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成果掠影
近期，桂林理工大學陸紹榮教授和中科院寧波材料與工程技術研究所虞錦洪研究員近期在開發高熱導率的熱管理材料取得新進展。
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)復合纖維薄膜。這兩種方法都不需要復雜的預處理程序和引入多余的添加劑。結果表明，ND含量為60 wt %的U-PVA/ND和C-PVA/ND復合纖維的導熱系數分別為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，表明復合纖維膜具有良好的熱穩定性和電絕緣性。
展開 
孔尺寸的不均勻性顯著降低多孔絕熱材料的熱導率
由于構造孔徑分布的不均勻性，研究報道的表觀導熱率降低達13.5％。此外，當孔隙度接近非常高的值時，均質和非均質模型之間的區別將顯著減小，可能是由于固氣界面含量增加導致。與利用高孔隙度相反，孔尺寸分布的不均勻性的發展對于進一步降低多孔絕熱體的導熱率可能起關鍵作用。該文章工作有望為超級絕熱材料的研究提供新的設計研究思路。
【圖文解析】
圖1 用于熱導率測量的AITS圖像和示意圖。
a，AITS在材料表面上的照片。b，測量系統示意圖。c，用于校準兩種類型AITS的各種標準材料導熱系數測量結果，測量誤差在5.9％以內。
圖2制造用于熱輸運AITS的處理流程示意圖。
圖3基于AITS的3
ω方法測試結構和多孔材料的測量溫升數據。
a，多孔塊材基于3 ω方法在不同壓力下進行熱特性表征。b，AITS在不同壓力下的實驗溫升數據。
圖4多孔材料的代表性合成過程和熱表征實驗數據。
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方法的試驗測量數據。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, 穩態熱傳導下的模擬溫度分布。d，計算導熱率與孔隙率的關系。
圖6用于構建不均勻微結構的CT掃描成像，用于對具有不同孔隙率的RS泡沫進行傳熱分析。
a，重建圖像以進行進一步的數據處理。b，基于我們3D模擬的平均熱導率。
展開 功率模塊封裝用高熱導率Si3N4陶瓷的研究進展
本文從影響 Si3N4陶瓷熱導率的因素入手，系統總結了制備高熱導率Si3N4 陶瓷的有效燒結助劑，以及新發展的反應燒結-重燒結(Sintering of reaction-bonded silicon nitride,SRBSN)和傳統的氣壓燒結(Gas pressure sintering,GPS)在制備高強高熱導 Si3N4 陶瓷的最新研究進展，最后介紹了 Si3N4 陶瓷基板的介電擊穿強度和覆銅后的性能評價，并對未來的發展方向進行了展望。
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Si3N4 陶瓷熱導率的影響因素
高熱導的 SiC 和 AlN 陶瓷，在 1973 年被 Slack預測有高的理論熱導率后，僅僅 10 余年的研究熱導率就達到 270 W·m-1K-1。不同于這二者，高熱導 Si3N4陶瓷的研究進展較為緩慢， 這一方面是因為 β-Si3N4 晶粒的棱柱狀形貌增加了研究微結構因素對熱導率影響的難度；另一方面是因為，影響 Si3N4 陶瓷熱導率最關鍵的因素—晶格氧含量，在很長時間里都沒有準確有效的測試方法, 直到 20世紀末，熱氣抽取技術的出現，才解決了這一難題， 使影響Si3N4陶瓷熱導率的多種因素得以澄清。下面將分別介紹微結構、晶格氧含量、稀土氧化物、晶格雜質和缺陷等因素對 Si3N4陶瓷熱導率的影響。
1.1 微結構因素的影響
Si3N4 陶瓷的微結構由 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晶粒和異常長大的長柱狀晶粒。顆粒間玻璃相的熱導率比 Si3N4晶粒低很多，對高熱導率的危害也更大。基于實驗結果， Hirosaki 等得出晶界膜的厚度與晶粒尺寸直接相關， 對 β-Si3N4的熱導率有重要影響。但由于 β-Si3N4的晶粒形貌各向異性， 相關研究一直缺少理論上的支持。
展開 亞琛大學、馬普所等《AFM》：平行位錯和柯氏氣團可降低熱電材料熱導率！
位錯通過散射聲子在熱輸運中起重要作用。然而，對于本質上導熱率低的材料（如熱電材料），經典模型需要極高數量的位錯(>10^12cm-2)來進一步阻礙熱傳輸。
近日，來自德國亞琛大學、馬普所、同濟大學、美國西北大學等單位的一項研究工作發現，在1×10^10 cm-2的中等位錯密度下，Na0.025Eu0.03Pb0.945Te的熱導率顯著降低。通過相關的顯微技術來進一步表征位錯的（包括它們的排列、取向和局部化學性質），發現對它們的聲子散射是至關重要的。電子溝道對比成像揭示了位錯在單個晶粒內的均勻分布并且沿著四個<111>方向具有平行線。透射電子顯微鏡顯示平行網絡是邊緣型的，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核心的富集，形成柯垂爾氣團。位錯網絡在透射電鏡原位加熱過程中是穩定的。利用卡拉威輸運模型，證明了位錯的平行排列和柯垂爾氣團使位錯在聲子散射中更加有效，這兩種機制為降低隔熱材料的熱導率提供了新的途徑。相關論文發表在材料領域頂級期刊Advanced Functional Materials。
展開 鄭州大學申長雨院士和劉春太教授團隊CSTE: 通過構建三維混合填料網絡提升復合材料的熱導率
復合材料導熱性能測試結果表明：三元復合材料由于其內部填料之間的協同作用而具有較高的導熱系數，當BN和MWCNTs含量為30 wt% 和3 wt% 時，導熱率為1.54 W.m-1K-1，相比于基體高262%。
圖3. BN含量對復合材料 (a) 導熱系數和 (b) 熱增強因子的影響，(c) 復合材料表面溫度隨時間的變化情況，(d) 復合材料平面內傳熱的紅外實時熱成像；(e) 導熱機理圖。
流變結果表明，與二元復合材料相比，三元復合材料隨著MWCNTs的加入，填料更容易互相搭接形成網絡結構，因此儲能模量的平臺區域在低頻區更為明顯。同時觀察到在單相基體復合材料中，儲能模量平臺對應Log數值與導熱系數有明顯的正相關線性關系，但其斜率受MWCNTs含量影響較大。
圖4. 復合材料流變性能與導熱性能的關系：(a) 儲能模量，(b) 復合材料導熱系數對比, (c) 復合材料的儲能模量平臺Log值與導熱系數的關系, (d) 圖(c)中斜率與MWCNTs含量的關系。
鄭州大學橡塑模具國家工程研究中心的碩士研究生馮明杰是該論文的第一作者，通訊作者為劉憲虎博士。該研究得到了國家自然科學基金(51803190)、資源材料協同創新中心開放基金(Zycl202004)和國家重點研發計劃(2019YFA0706802)的資金支持。
原文鏈接：M. Feng#, Y. Pan#, M. Zhang, Q. Gao, C. Liu, C. Shen, X.
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