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国家973计划课题"微纳米材料结构、热传递表征新方法及传热基本规律"简介(下)
发稿时间:2014-06-18         作者:郑兴华          来源:传热传质研究中心     【字号:

  课题执行年度为20122016年,20122013传热传质研究中心科研人员主要开展了纳材料热物性评价方法研究及实验系统搭建、热界面及强化换热表面实验及理论研究,目前各项工作均顺利完成计划任务。已发表学术论文35篇,其中SCI收录20篇,国际会议8篇,培养博士生13名,硕士生6名,出站博士后1名,已授权发明专利6项,各项指标均已超过任务书要求。主要研究进展具体如下: 

  一、热物性评价方法及测量系统(工程热物理所) 

  根据项目设计的微纳材料种类及形貌,科研人员完成对已有谐波探测系统及飞秒泵浦抽运热反射系统的升级改造,用于多种微纳材料的热物性精确评价。设计改造的双波长飞秒激光泵浦抽运热反射系统是世界上可测厚度最小,分辨率最高的热界面材料热性能评价系统,该设计理念先进,与美国MIT同时进行,目前国内仅本中心拥有该技术和设备,世界上也只有美国、欧洲和日本几个科研单位拥有该设备。谐波探测系统是目前世界上可测材料种类最多(单根纤维、微纳薄膜、微纳粉体及流体、多孔复合材料)、可直接测得热物性参数较多(热导率、比热、热扩散率及吸热系数)以及测量精度较高(测量误差是闪光法的1/3)的综合热物性评价系统,目前本中心也是世界上对该方法研究较全面、系统的科研单位,并推动了该方法的仪器化进程。相关工作已申请6项专利。 

  1 改造后的双波长飞秒系统及谐波探测器系统 

  二、微纳隔热材料隔热性能研究(工程热物理所、化学所) 

  1.科研人员测量了不同空隙率的多孔聚甲基丙烯酰亚胺泡沫(PMI)及SiOC陶瓷样品有效热导率(图2、图3)。发现对于实验中的PMI测试样品,由于孔隙直径远大于空气平均自由程,空气的热导率几乎与孔径无关,而热辐射几乎与密度无关,因此泡沫材料的有效热导率主要跟固相成分的含量有关,是导致材料有效热导率随密度的增大而变大的原因。对于SiOC陶瓷样品,一旦热处理过程的条件参数(如热解温度、时间及前驱体浓度)确定后,制备出的具有可变的密度、比表面积、颗粒尺寸及孔径分布SiOC陶瓷系列样品的热输运性能由固相体积分数决定。因此,可以通过在不增加颗粒尺寸的前提下增加孔径大小来降低SiOC陶瓷中固相的体积分数,从而来进一步降低SiOC的有效热导率。

       图2 PMI泡沫有效热导率随密度及温度变化曲线     图3 SiOC陶瓷室温有效热导率随表观密度的变化关系 

  研究成果已在热物性研究领域的国际权威杂志International Journal of Thermophysics上发表,并被加拿大的Advances in Engineering网站以Featured Article的形式转载报道。  

  2.采用研制的独立性探测器测量了纳米不同颗粒直径的SiO2气凝胶粉体有效热导率,科研人员发现对于SiO2粉末样品的有效热导率,存在着一个最佳密度,并不是SiO2粉末的密度越低其热导率越小。在最佳密度时,颗粒直径为575nmSiO2粉末具有最低的热导率。这是因为SiO2粉末是一种高孔隙率的绝热材料,低密度时气相传热和辐射传热在样品总体传热中占有十分重要的位置,此时固相导热在总体导热中占的份额并不大,而高密度时,固相导热在样品的总体传热中起主导作用,气相及辐射传热却急剧降低(图4)。相关工作发表于Journal of nanoparticle research 

  4 有效热导率与密度的关系曲线(ρ为密度) 

   三、单根纤维(工程热物理所、苏州纳米所、北京化工大学) 

  科研人员研究了晶粒的结晶区域纤维轴基面宽度(La)在数个纳米尺度的PAN基碳纤维热导率的尺寸效应(图5)。结果表明:边界散射和点缺陷散射两种机理共同导致了这类La小于10 nm的碳纤维的晶格热导率线性依赖于1/La。基于实验得到的热导率与La的关系:  ,给出了一个适用于该类纤维点缺陷散射常数估算的关系式,对于该类材料的性能及工艺改善给予理论指导。该研究成果于2013年发表在Carbon上。 

  

  晶格热导率对La的依赖性 

  四、热界面材料及强化换热表面研究(工程热物理所、清华、北京航空航天大学、苏州纳米所)1.科研人员应用双波长飞秒激光抽运热反射系统实现了对多种纳米薄膜热物性及界面热阻的测量,并对其尺度效应进行了深入的研究,研究成果已在Journal of Applied Physics,Chinese Physics BChinese Physics Letters 等期刊发表,部分结果如下图所示: 

  6 Au/Si间界面热阻测量                   图7 HfO2超薄界面材料的热阻测量 

  2.科研人员以硅为衬底,经过一些列MEMS工艺,制作成实验元件,进行喷雾冷却实验研究。实验结果表明:SiO2膜表面相比纯硅表面的亲水性较强,与去离子水的接触角较小,纳米表面的亲水性进一步增强,接触角最小;纳米表面的换热效果优于SiO2膜表面、优于纯硅表面。接触角越小,换热效果越好。由于SiO2膜的亲水性较强,能够促使液体进入较小的凹槽内,使换热面积得以更加有效的利用,换热系数增加更快,导致壁温下降程度更高,同样热流密度下壁温更低,因此在微结构上表面增加碳纳米管阵列膜对于微结构尺寸小于液滴直径的表面更有效。 

  对铜衬底上镍纳米锥表面喷雾的冷却实验研究表明:纳米锥高度越高,亲水性越强。这是因为表面润湿性即接触角的大小是受表面形貌影响的。表面越粗糙,表观接触角越小,因而可以解释纳米锥高度较高的表面接触角更小。 

  比较了光滑表面、纳米结构表面和微槽表面在低热流密度段的沸腾换热性能后,实验表明所有测试表面的换热系数均随着热流密度的提高而提高。这是因为在较高热流密度条件下,表面更小尺寸的微孔将成为汽泡成核点,表面上有更多的汽泡得以形成,以此提高了表面的换热系数。与光滑表面相比较,纳米结构表面和微槽表面的起始沸腾的过热度均较低,并且在低热流密度段内的沸腾换热系数较高。 

  五、数值模拟及理论分析(清华大学,工程热物理所) 

   1.科研人员利用非平衡分子动力学模拟方法计算了含有三角形孔的硅纳米薄膜的热整流特性,模拟结果表明三角形孔的热阻量级为10-9m2KW-1,孔的热阻随着温度的升高出现明显降低。当温度升高时,声子数目会增加,相应地穿透界面的声子数和能量也会增加,因此界面热阻将会减小。当热流反向时,300 K1100 K范围内不对称孔的热阻变化约28%,同时研究人员利用声子波包模拟方法获得了不同频率下的声子在三角形孔处的散射特性,发现整个频率段的平均声子透射系数变化22%,因此声子透射率的差异可以认为是含有不对称孔的硅纳米薄膜产生热整流现象的主要因素。

  8 声子波包在三角形孔处的散射          图9 不同入射方向声子能量透射率对比 

  2.采用非平衡分子动力学NEMD (Non-Equilibrium Molecular Dynamics)模拟方法研究硅基体和碳纳米管之间的热传输。单壁碳纳米管(SWNT)为(5,5)锯齿型,直径为6.88Å,长20nm(80 UC);硅基体为8×8×8的金刚石结构晶体,长宽高均为4.34nm。在周期性边界条件下,研究人员计算了在硅基体上布置1-6SWNT(图10)的热导,探究SWNT密度对热导的影响规律。 

  10   在硅基体上布置的1-6根单壁碳纳米管示意图 

  研究表明,随着碳纳米管数量的增加,碳纳米管内的温度梯度以及界面处的温度梯度都在减小。但管数量的增加,管内温度梯度和界面温度梯度减小的程度也在减小,这说明随着碳纳米管数量的增加,整体的热导趋于定值。对于布置5根6根碳纳米管,热导增加的程度已经不足以弥补增加布置的消耗,这说明碳纳米管数量的增加热导增大的效益在减小,所以碳纳米管在硅基体上的布置密度存在最优值。另外模拟表明接触面积的增大并没有增加整体的热导。 

 

 

 

 

 

 

 

 
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