熱輸運(yùn)
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2026-01-05
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f(shuō)luent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f(shuō)luent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(wèn)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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熱輸運(yùn)的實(shí)例教程
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(lái)，通過(guò)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(wú)序系統(tǒng)的精確建模仍然存在顯著的挑戰(zhàn)。近年來(lái)，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(guò)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(yáng)教授聯(lián)合英國(guó)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(guò)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(kāi) 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?zhèn)鳠嵘弦约?em>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(lái)說(shuō)，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(wèn)題的方法，但并沒(méi)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(wèn)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(guò)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(méi)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(guò)揭示熱傳遞的因素對(duì)于未來(lái)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。
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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(wèn)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(kāi) 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?zhèn)鳠嵘弦约?em>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(lái)說(shuō)，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(wèn)題的方法，但并沒(méi)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(wèn)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(guò)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(méi)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(guò)揭示熱傳遞的因素對(duì)于未來(lái)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。
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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(wèn)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(kāi) 目前，對(duì)TBG的研究大多集中在電子性質(zhì)上，對(duì)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(lèi)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(méi)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(zhǎng)。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(wèn)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(duì)應(yīng)。在moire晶格的超級(jí)單體內(nèi)，不同的堆疊模式會(huì)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(dòng)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(kāi) 來(lái)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(lái)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(kāi)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(guò)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?chē)膹?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(lái)，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(lái)預(yù)測(cè)界面聲子散射，沒(méi)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(lèi)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(kāi) 
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熱輸運(yùn)的最新內(nèi)容
然而，理解和控制無(wú)序材料中的熱輸運(yùn)仍然是一個(gè)突出的挑戰(zhàn)，由于計(jì)算技術(shù)的內(nèi)在局限性和缺乏復(fù)雜原子結(jié)構(gòu)的物理直觀描述符。本文展示了如何結(jié)合基于機(jī)器學(xué)習(xí)的模型和實(shí)驗(yàn)觀察可以幫助準(zhǔn)確地描述無(wú)序材料的現(xiàn)實(shí)結(jié)構(gòu)、熱輸運(yùn)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)-性質(zhì)圖，這是通過(guò)氧化鎵的實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)明的。這項(xiàng)工作可能為未來(lái)加速探索無(wú)序功能材料中的熱輸運(yùn)性質(zhì)和機(jī)制提供啟示。
PDMS基TIMs的面外熱輸運(yùn)特性。
圖5. PDMS的TIMs熱管理應(yīng)用。
END
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圖3.a)不同GS-w-CNT含量的GS-w-CNT/PDMS納米復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)(黑色表示原始CNT/PDMS)，b)三維網(wǎng)狀填料對(duì)聚合物復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的比較，c)不同GS-w-CNT含量的GS-wCNT/PDMS納米復(fù)合材料的導(dǎo)熱效率(黑色表示原始CNT/PDMS)，d)碳納米管網(wǎng)絡(luò)中GS焊接后熱輸運(yùn)增強(qiáng)機(jī)理示意圖。
而非共價(jià)作用一樣也對(duì)分子鏈間的傳熱有相當(dāng)貢獻(xiàn)，這是非晶聚合物和幾乎無(wú)分子內(nèi)作用的簡(jiǎn)單流體和只有純粹共價(jià)鍵作用的非晶無(wú)機(jī)物在傳熱載體和熱輸運(yùn)機(jī)理上的根本區(qū)別。
分子間非共價(jià)作用力包括靜電力、氫鍵、范德華力等作用。基于分子間非共價(jià)作用可有效調(diào)控分子鏈構(gòu)象及空間結(jié)構(gòu)，增大分子間非共價(jià)作用利于形成分子間的物理連接結(jié)構(gòu)，構(gòu)筑長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)，促進(jìn)聲子在鏈間的傳遞，實(shí)現(xiàn)調(diào)控導(dǎo)熱目的。
Xie等人發(fā)現(xiàn)之字形石墨烯納米帶中的熱輸運(yùn)受到歸一化導(dǎo)熱系數(shù)較低的拓?fù)渚€缺陷的影響。Islam還計(jì)算了空位缺陷對(duì)石墨烯聲子性質(zhì)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(shù)法模擬了具有五邊形-七邊形缺陷的石墨烯的熱輸運(yùn)性質(zhì)。結(jié)果表明，PHD對(duì)鋸齒形和扶手椅形方向都有影響，k對(duì)缺陷區(qū)域的寬度不敏感。
圖2 (a)復(fù)合膜的制備示意圖，(b) BNNS/CNF、BNNS + G/CNF和G@BNNS/CNF薄膜的可彎曲性、可折疊性和柔韌性照片，(c-e) BNNS/CNF、BNNS + G/CNF和G@BNNS/CNF薄膜的SEM截面圖，(f) O1s XPS高分辨率光譜，(G) XRD譜圖，(h) TG曲線
圖3 復(fù)合膜的熱輸運(yùn)性能
論壇將關(guān)注機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)值計(jì)算；聲子工程，低維材料熱輸運(yùn)；熱超構(gòu)材料，熱電材料；近場(chǎng)輻射，熱光電；微/納米尺度傳熱傳質(zhì)，強(qiáng)化傳熱；相變換熱；電子芯片/器件/設(shè)備熱管理，個(gè)人熱管理等方向。
B. 功能材料
不積跬步，無(wú)至千里。闡明和探索熱管理材料的機(jī)理與特性，將為材料與技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)提供理論指導(dǎo)，夯實(shí)產(chǎn)品應(yīng)用基礎(chǔ)。
對(duì)熱管理材料性能的理論分析進(jìn)行比較和總結(jié)，以了解二維材料系統(tǒng)中的聲子和熱輸運(yùn)。此外，還將介紹用于這些材料的不同熱表征方法，并對(duì)其優(yōu)點(diǎn)和局限性以及準(zhǔn)確性進(jìn)行總結(jié)和評(píng)論。在本綜述的最后，將討論和評(píng)論使用石墨烯和其他二維材料進(jìn)行熱管理的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。
其中氮化硼(BN)填料因其優(yōu)異的各向異性熱輸運(yùn)、介電性能、熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度而受到廣泛關(guān)注。先進(jìn)的BN/聚合物復(fù)合材料主要旨在通過(guò)相互接觸、連續(xù)相、規(guī)則取向或單向組裝來(lái)獲得更高的導(dǎo)熱性。然而，這些方法不僅涉及復(fù)雜的工藝，而且對(duì)粗糙表面的順應(yīng)性仍未得到解決。
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成果掠影
近期，清華大學(xué)航空航天學(xué)院曹炳陽(yáng)教授聯(lián)合英國(guó)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。
