熱電性能計算的案例
基于Cu12Sb4S13四面體的熱電納米復(fù)合材料及其熱電性能增強
盡管CAS具有超低的晶格熱導率，但由于其相對較低的功率因數(shù)(S2σ)，其TE性能仍然低于其他高性能TE材料。功率因數(shù)依賴于材料結(jié)構(gòu)。因此，通過引入納米級結(jié)構(gòu)可優(yōu)化電傳輸性能，從而將簡單的制造過程結(jié)合到基底中，同時保持低導熱性，能夠進一步實現(xiàn)CAS可調(diào)的TE性能。雖然引入納米結(jié)構(gòu)是提高材料熱電性能的有效方法之一，但其在CAS四面體中尚未得到應(yīng)用。
【成果簡介】
近日，清華大學李敬鋒教授(通訊作者)等采用機械合金化(MA)和放電等離子燒結(jié)(SPS)相結(jié)合的簡便方法合成了Nb2O5納米顆粒分散的Cu11.5Ni0.5Sb4S13-δ復(fù)合材料，并在Nano Energy上發(fā)表了題為“Enhanced performance of thermoelectric nanocomposites based onCu12Sb4S13 tetrahedrite”的研究論文。通過重復(fù)的MA和SPS工藝得到的細粒納米結(jié)構(gòu)提高了整個溫度范圍內(nèi)的電導率和功率因數(shù)。由于強烈的低中頻聲子散射，均勻分布的Nb2O5納米顆粒和納米孔將晶格熱導率有效降低至0.6 W·m-1·K-1。少量的Nb2O5添加(0.3 vol %)使得723K時ZT值高達1.2，與基底樣品相比增加~50%。上述納米復(fù)合材料還具有高平均ZT值、熱電轉(zhuǎn)換效率和斷裂韌性。
【圖文簡介】
圖1 CNAS-0.3NPs復(fù)合材料與其他熱電材料的性能比較
CNAS-0.3NPs復(fù)合材料與其他熱電材料的性能比較。
展開 基于扁平熱管的電池熱管理系統(tǒng)耦合模型與熱電性能分析
最后，該團隊研究了不同F(xiàn)HP結(jié)構(gòu)參數(shù)（包括均熱板厚度、FHP總厚度、FHP總長度）對電池熱電特性的影響機制。結(jié)果表明，F(xiàn)HP蒸汽腔厚度或FHP總厚度的減小不僅會增加蒸汽熱阻，同時也加劇了FHP傳熱能力的不均勻分布，使電池的熱性能惡化。FHP總長度的變化會導致FHP總傳熱熱阻的變化，影響電池的整體性能。相關(guān)研究成果以“A coupled model and thermo-electrical performance analysis for flat heat pipe-based battery thermal management system”為題發(fā)表于《Applied Thermal Engineering》。
展開 中科院金屬所Nature Materials：高性能柔性層狀結(jié)構(gòu)的熱電材料
與傳統(tǒng)的脆性和剛性熱電器件相比，柔性電子器件具有一些無可替代的優(yōu)點。要獲得熱源表面和任意形狀之間的緊密接觸，良好的柔性是必不可少的；無支撐薄膜熱電材料由于可以容易地轉(zhuǎn)移到任何襯底上，通過減少熱能損失而顯著提高效率，通常是獲得最優(yōu)器件配置的首選材料。
無機硫?qū)倩衔铮ㄈ鏐i2Te3）是一種傳統(tǒng)的熱電材料，其可在寬的運行溫度下實現(xiàn)最優(yōu)異的性能，但這種材料的脆性和剛性限制了它們在柔性熱電領(lǐng)域的應(yīng)用。聚合物熱電材料雖然具有柔性好、重量輕以及易加工等優(yōu)點，但由于其熱穩(wěn)定性差、效率低以及接觸電阻高等缺點，因此嚴重阻礙其在熱電材料中的應(yīng)用。碳納米管（CNTs）具有獨特的電、熱性能和優(yōu)異的柔韌性，理論預(yù)測和實驗都表明CNTs是一種極具前景的柔性熱電材料。由于CNTs基復(fù)合材料中的碳納米管分布不均、弱的界面相互作用、雜質(zhì)較多以及結(jié)構(gòu)混亂等缺點，因而這種材料的熱電性能遠低于最新的無機硫?qū)倩衔铩Ｒ虼耍O(shè)計和制備具有優(yōu)異綜合性能的柔性熱電材料仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。
【成果簡介】
近日，中科院金屬所邰凱平研究員、劉暢研究員和中科院近代物理所高寧研究員（共同通訊作者）等人合作利用磁控濺射技術(shù)在CNT支架上組裝層狀結(jié)構(gòu)的Bi2Te3用于制造柔性熱電器件。該材料的功率因數(shù)在室溫下為~1600 μWm-1K-2，而在溫度為473 K時下降為1100 μWm-1K-2。其平面晶格熱導率為0.26±0.03 Wm-1K-1，室溫下最高的熱電品質(zhì)因數(shù)可達0.89，這種性能主要來源于一種強的聲子散射效應(yīng)。Bi2Te3-SWCNT材料優(yōu)異的柔性與熱電性能主要來源于晶體取向、界面和納米孔結(jié)構(gòu)，該研究結(jié)果為設(shè)計和制備高性能柔性熱電材料提供了新的思路。
展開 研究 \\ 超細晶和納米多孔材料的高效熱電制冷性能
微觀結(jié)構(gòu)演變的原理圖、改進的熱電性能、模塊的冷卻性能。A：燒結(jié)溫度對樣品組織結(jié)構(gòu)的影響示意圖，B：超細晶和多孔結(jié)構(gòu)對MgAgSb晶格熱導率的降低效果，C：超細晶和多孔結(jié)構(gòu)MgAgSb與其他方式優(yōu)化MgAgSb材料的熱電優(yōu)值對比，D：制備的熱電制冷器件與目前最先進制冷器件的最大溫差對比，E：制備的熱電制冷器件與目前最先進制冷器件的最大COP對比。
圖2. 在473 K條件下燒結(jié)的樣品微觀結(jié)構(gòu)表征圖。
圖3. 熱性能分析。
圖4. 電輸運性能和優(yōu)良熱點效率。
END
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南科大《Science》：具有高熱電性能的高熵穩(wěn)定硫?qū)倩衔?/span>
，但廣泛應(yīng)用的瓶頸是熱電材料的性能。
上海大學：熱電材料性能調(diào)控方面重要進展！
熱電材料的載流子濃度是其電-熱轉(zhuǎn)換效率的決定性因素之一。然而，熱電材料的最佳載流子濃度并不是一個定值，而是隨溫度而變化。因此，傳統(tǒng)的摻雜方式并不能實現(xiàn)熱電材料在全工作溫區(qū)內(nèi)的載流子濃度優(yōu)化。
近年來的研究表明，含有“動態(tài)原子”的化合物往往表現(xiàn)出奇異的電熱輸運性能，比如具有類液態(tài)Cu子晶格的Cu2Se化合物，以及具有金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變的VO2化合物等。熱電（溫差電）性能由電、熱輸運性能共同決定，因此是研究“動態(tài)原子”作用的理想體系。并且在理解“動態(tài)原子”作用機理的前提下，有望利用其對熱電性能進行寬溫域優(yōu)化。
動態(tài)原子行為示意圖：（a）低溫下體系由PbSe基體及富Cu第二相構(gòu)成；（b）隨溫度升高Cu原子逐漸進入晶格間隙形成動態(tài)n型摻雜；（c）高溫下晶格間隙中的Cu劇烈振動，極大地降低了材料的熱導率。
最近上海大學材料學院駱軍教授課題小組利用“動態(tài)原子”對熱電化合物的電熱輸運性能進行了調(diào)控。他們首先設(shè)計并構(gòu)建一個包含基體（PbSe）和第二相的相分離體系，并利用溫度升高過程中第二相的逐漸溶解在基體中引入了間隙原子，從而實現(xiàn)了在全溫區(qū)范圍內(nèi)對載流子濃度的優(yōu)化（見上圖）。
在該材料體系中，間隙Cu離子表現(xiàn)出“動態(tài)”特征，并且可以提供1個電子，實現(xiàn)對基體的n型摻雜。首先，在低溫下，富Cu第二相可視作原位摻雜源，隨著溫度升高，Cu在PbSe中的固溶度逐漸增大，Cu離子不斷從富Cu第二相動態(tài)進入到PbSe的晶格間隙，從而載流子濃度隨溫度升高而漸進式增加，實現(xiàn)了寬溫區(qū)的載流子濃度優(yōu)化，因此功率因子顯著增大。其次，Cu的添加在材料中引入晶格缺陷，同時位于晶格間隙的Cu在高溫下劇烈振動導致低頻光學支聲子的出現(xiàn)，從而實現(xiàn)了多尺度聲子散射，因此晶格熱導率顯著降低。
展開 .: 載流子調(diào)諧/聲子工程協(xié)同效應(yīng)助力材料高熱電性能
圖3 CuxBST材料的熱電性能提升機理分析
a) CuxBST(x=0,0.01,0.02,0.04)材料的塞貝克系數(shù)；
b) CuxBST(x=0,0.01,0.02,0.04)材料的功率因子；
c) 室溫下CuxBST(x=0,0.01,0.02,0.04)材料的Pisarenko點圖；
d) CuxBST(x=0,0.01,0.02,0.04)材料的變形電位。
圖4 CuxBST材料的熱電性能
a) CuxBST(x=0,0.01,0.02,0.04)材料的總熱導；
b) CuxBST(x=0,0.01,0.02,0.04)材料雙極熱導和晶格熱導的總和；
c) CuxBST(x=0,0.01,0.02,0.04)材料的ZT值；
d) CuxBST(x=0,0.01,0.02,0.04)材料在室溫和523K之間的平均ZT值。
【小結(jié)】
綜上所述，作者通過MS和SPS工藝制備了改性CuxBST材料，并對其增強熱電性能進行了研究。通過改變摻雜Cu的量，變形電位逐漸降低，載流子濃度逐漸增加，電荷傳輸隨之得到改善。此外，作者通過雙極抑制和點缺陷散射實現(xiàn)了熱傳輸調(diào)制。與傳統(tǒng)熔融方法得到樣品相比，MS處理的樣品由于晶界散射的增加而表現(xiàn)出PF和低導熱率的顯著改善。結(jié)果，在溫度范圍為室溫至450K的MS Cu0.02BST的平均ZT值比原始MS BST高46%，在400K時達到1.34的最大ZT值。該研究提供了一種簡便的方法，不僅可以增加最大ZT值，還可以增加平均ZT值，非常有利于中溫熱電應(yīng)用。
展開 基于COMOSL的熱電固耦合計算仿真 ￥400
使用的模塊是固體力學模塊，電流模塊，傳熱模塊， 是熱電固得多項耦合。模型滑輪上方存在作用力， 導軌下方固定。考慮熱接觸，電接觸滑輪左右來回滑動。電接觸采用Cooper-Mikic-Yovanocich 相關(guān)模型。
本案例模型及相關(guān)操作見附件、收費內(nèi)容部分，凡購買本案例的朋友，結(jié)合附件中的模型及相關(guān)操作說明在仿真操作上還有什么疑問，請與我溝通交流。
. : 受體調(diào)控增強D-A共聚物的n型導電性及熱電性能
【小結(jié)】
綜上所述，作者制備了一種高性能的n型熱電D-A聚合物，通過供體調(diào)控提高了其導電性和熱電性能。對D-A共軛聚合物的供體部分進行吸電子改性具有如下優(yōu)勢：(1)分子內(nèi)氫鍵的形成，降低聚合物的HOMO和LUMO水平；(2)提高n摻雜效率，防止相分離；(3)降低載流子跳躍勢壘，同時保持遷移性不僅不受影響而且大大提高。因此，設(shè)計的D-A共聚物其電導率和熱電PF增強了三個數(shù)量級，是D-A共聚物的最高值。作者所提出的供體調(diào)控策略簡便易行，可以擴展到許多其他D-A聚合物，有望顯著提高D-A共聚物的導電性和熱電性能。
文獻鏈接：Enhancing the n-Type Conductivity and Thermoelectric Performance of Donor–Acceptor Copolymers through Donor Engineering (Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201802850)
展開 VASP結(jié)合vaspkit+ShengBTE計算熱電優(yōu)值（二）
3、熱電優(yōu)值ZT的計算
通過簡單的換算即可得到熱電優(yōu)值：
4、熱電值分析
ZT值是衡量熱電材料熱電性能的指標，它決定了在特定溫度下熱電材料能量轉(zhuǎn)化的最大效率。
其中σ為電導率，κ為熱導率，S為塞貝克系數(shù)，T 為溫度。而熱導率κ又可寫為電子熱導與晶格熱導之和：
因此要計算ZT值，我們需要分別計算電導率σ，塞貝克系數(shù)S，電子熱導率κe，晶格熱導率κc。
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VASP結(jié)合vaspkit+ShengBTE計算熱電優(yōu)值（一）
電導率σ，塞貝克系數(shù)S的計算：
使用vaspkit計算處對應(yīng)的物理量，具體流程為：
準備好計算的材料對應(yīng)的POSCAR。如果是二維材料可以使用vaspkit 的921或923功能對二維材料POSCAR進行標準化。
進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
使用 vaspkit-681命令生成高密度的KPOINTS，然后進行靜態(tài)計算 （注意只有使用這項功能生成KPOINTS計算的結(jié)果才能繼續(xù)使用vaspkit命令計算下一步，使用M-S方法自動生成K點的計算結(jié)果無法進行下一步）。
準備對應(yīng)的INPUT.in文件用于輸運性質(zhì)計算
關(guān)于INPUT文件中的參數(shù)，一般只需要調(diào)整Temperature 以及Relaxation time。其中Relaxation time 一般可以通過查找文獻得到當前研究的結(jié)構(gòu)的載流子Relaxation time/scattering time 。當我們查找不到時就需要自己計算出Relaxation time。
晶格熱導率的計算
計算晶格熱導率我們需要用到的軟件包括Phonopy,Thirdorder,ShengBTE。
其中Phonopy用于計算聲子譜及二階力常數(shù)，Thirdorder用于計算三階力常數(shù)，ShengBTE用于結(jié)合前面兩者的結(jié)果計算晶格熱導率。
1、Phonopy計算聲子譜及二階力常數(shù)
計算聲子譜及二階力常數(shù)的具體流程如下：
（1）對初始結(jié)構(gòu)進行高精度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化
這一步中INCAR的主要參數(shù)是EDIFFG，一般情況下應(yīng)達到EDIFFG=-1E-8的標準。考慮優(yōu)化速度，可以通過優(yōu)化多次，每次優(yōu)化時逐步減小EDIFFG直到EDIFFG=-1E-8的方法進行優(yōu)化。高精度優(yōu)化中IBRION建議設(shè)置為1，且當EDIFFG較小時建議設(shè)置ISIF=2。
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【公開課】如何用高性能計算加速CAE仿真性能
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如何用高性能計算加速CAE仿真性能
眾所周知，CAE作為一門新興的學科已經(jīng)逐漸的走下神壇，成為了各大企業(yè)中設(shè)計新產(chǎn)品過程中不可缺少的一環(huán)。目前在航空、航天、能源動力等工業(yè)領(lǐng)域，利用 CAE 進行反復(fù)設(shè)計、分析、優(yōu)化也已成為標準的必經(jīng)步驟和手段。不同的CAE 應(yīng)用程序?qū)τ布Y源例如處理器、網(wǎng)絡(luò)和存儲的要求各不相同，如何用高性能計算加速CAE仿真性能，這就是本期老師要分享的內(nèi)容。
課程大綱
Ⅰ
不同的CAE應(yīng)用該如何配置高性能計算
Ⅱ
引入HPC及云平臺加速現(xiàn)有資產(chǎn)價值
Ⅲ
Altair PBS關(guān)鍵技術(shù)介紹
講師：王軼華
Altair企業(yè)解決方案部技術(shù)經(jīng)理
十多年時間專注在HPC技術(shù)領(lǐng)域工作，數(shù)十個高性能計算項目經(jīng)驗，負責國內(nèi)多個航空航天，汽車，能源客戶的HPC基礎(chǔ)架構(gòu)規(guī)劃及性能優(yōu)化，目前主要負責中國區(qū)Altair PBS Works產(chǎn)品線的團隊建設(shè)、產(chǎn)品售前、合作伙伴支持等工作。
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展開 云計算還有多久能夠替代高性能計算？
現(xiàn)今，超大規(guī)模的云計算供應(yīng)商占據(jù)了大部分的高性能計算(HPC)市場，提供了更高的彈性以及幾乎無限的計算可擴展性。而超算中心的技術(shù)更新往往需要兩年甚至更久。也有許多技術(shù)愛好者會問北鯤云小編，云計算能夠取代高性能計算(HPC)嗎，或者云計算還有多久能夠取代高性能計算？
回答這個問題之前，我們可以先來看下云計算與高性能計算(HPC)有什么異同呢？
首先,我們來說云計算是什么？云計算構(gòu)通常可以將一些快速網(wǎng)絡(luò)與一系列GPU和一些復(fù)雜的中間件有效地融合在一起，以便管理模擬和建模工作負載。
而高性能計算（HPC）指通常使用很多處理器（作為單個機器的一部分）或者某一集群中組織的幾臺計算機（作為單個計算資源操作）的計算系統(tǒng)和環(huán)境。有許多類型的HPC系統(tǒng)，其范圍從標準計算機的大型集群，到高度專用的硬件。
我們知道高性能計算(HPC)與云計算的側(cè)重點不同，但是二者之間也有很多相關(guān)的特點，比如，兩者都使用了分布式計算、網(wǎng)格計算、集群、高密度計算，其中也有一些特定的領(lǐng)域利用云計算技術(shù)來從事高性能類的應(yīng)用。例如，北京市計算中心打造的“北京工業(yè)云”，為中小企業(yè)提供產(chǎn)品設(shè)計模擬服務(wù)。
不過超算與云計算也存在很多不同，比如高性能計算(HPC)幾乎不用虛擬化技術(shù)，因為一個應(yīng)用就可能把多個機器的CPU都跑滿了，虛擬化技術(shù)沒有用武之地，而在企業(yè)私有云中，虛擬化卻是一個最基礎(chǔ)的IT技術(shù)。
其實云計算與高性能計算(HPC)關(guān)系密切，卻又各有優(yōu)勢，比如，超算中心是一種早期的運算模式，通過昂貴的計算資源部署，多個領(lǐng)域的用戶通過互聯(lián)網(wǎng)遠程使用計算服務(wù)并根據(jù)使用量來進行支付費用。但超算中心又與云計算有著明顯的區(qū)別。
知道了這些，我們再來看云計算不能取代超算？
展開 2005高性能計算應(yīng)用大會---并行計算
2005高性能計算應(yīng)用大會---并行計算
2005高性能計算應(yīng)用大會---并行計算.part1.rar
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2005高性能計算應(yīng)用大會---并行計算.part5.rar
2005高性能計算應(yīng)用大會---并行計算.part6.rar
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