微米/纳米尺度热科学与T程学中的若干重要问题及进展

文章阐述了当代最新的前沿学科之一--微米/纳米尺度热科学与工程学的研究意义、内容、进展及其相应的基本理论与实验研究方法,分析了由于微米/纳米器件尺度效应引起的一系列挑战性热问题,讨论了相应出现的一些新现象和新概念,指出了微米/纳米热科学方面新近发展的几类理论与实验技术的成功和不足之处,并归纳了该领域内若干可供探索的途径和新方向,特别就一些典型微米/纳米热器件及微尺度生物传热中的一些重要科学问题及其工程应用作了介绍.     

微米／纳米尺度热科学与工程学中的若干重要问题及进展

文章阐述了当代最新的前沿学科之一－－微米／纳米尺度热科学与工程学的研究意义。内容,进展及其相应的基本理论与实验研究方法,分析了由于微米／纳米器件尺度效应引起的一系列挑战性热问题,讨论了相应出现的一些新现象和新概念,指出了微米／纳米热科学方面新近发展的几类理论与实验技术的成功和不足之处,并归纳了该领域内若干可供探索的途径和新方法,特别就一些典型微米／纳米热器件及微尺度生物传热中的一些重要科学问题及其工程应用作了介绍。     

L型石墨纳米结的热输运

利用非平衡格林函数方法研究了由半无限长扶手椅型和锯齿型边界石墨纳米带连接而成的L型石墨纳米结的热输运性质.结果表明,L型石墨纳米结的热导依赖于L型石墨纳米结的夹角和石墨纳米带的宽度.在L型石墨纳米结的夹角从30°增加到90°再增加到150°过程中,其热导显著增大.夹角为90°的L型石墨纳米结的热导随着扶手椅型纳米带宽度增加时,在低温区热导随着宽度的增大而降低,在高温区热导随宽度的增大而升高.对于夹角为150°的L型石墨纳米结,其热导无论是在低温区还是在高温区都随着锯齿型纳米带宽度的增加而降低.利用声子透射谱对这些热输运现象进行了合理的解释.研究结果阐明了不同L型石墨纳米结中的热输运机理,为设计基于石墨纳米结的热输运器件提供了重要的物理模型和理论依据. 关键词： 石墨纳米结 热输运 热导     

扫描热显微镜测量机理的研究

从理论上分析了扫描热显微镜的传热过程和测量原理,建立了两种工作模式下的热阻网络模型,并对热阻网络中各热阻进行了具体分析,得出了样品本身热阻的表达式;用多种参考材料样品进行了系列实验,结果表明仪器的输出信号与热导率的倒数成线性关系,对理论分析作出了部分验证,为亚微米尺度的热导率测试打下了基础。     

微小区域热场的测试与分析

本文用显微热成像系统测量微小区域的表面温度和用数值模拟方法分析微小区域内的温度分布，对被测表面进行了发射率标定和环境辐射修正，三维稳态数值模拟着重考虑了界面接触热阻的处理。文中用以上手段分析了场效应功率器件的热可靠性。     

微尺度薄膜热导率测试技术

随着器件尺寸进入到微 /纳米尺度 ,其热物性与体材料相比有了很大差别。在器件热性能和可靠性研究过程中 ,对热导率的测量成为了关键技术之一。本文概述了SiO2 、SiNx、金刚石等薄膜在微小型器件中的用途及其热导率测试技术的发展 ,并进一步总结了用于薄膜热导率测量的常用方法     

嵌入线型缺陷的石墨纳米带的热输运性质

采用非平衡格林函数方法研究了嵌入有限长、半无限长、 无限长线型缺陷的锯齿型石墨纳米带 (ZGNR)的热输运性质.结果表明, 缺陷类型和缺陷长度对ZGNR的热导有重要影响. 当嵌入的线型缺陷长度相同时, 包含t5t7线型缺陷的石墨纳米带比包含Stone-Wales线型缺陷的条带热导低. 对于嵌入有限长、同种缺陷的ZGNR, 其热导随线型缺陷的长度增加而降低, 但是当线型缺陷很长时, 其热导对缺陷长度的变化不再敏感.通过比较嵌入有限长、半无限长、无限长线型缺陷的ZGNR, 我们发现嵌入无限长缺陷的条带比嵌入半无限长缺陷的条带热导高, 而后者比嵌入有限长线型缺陷的条带热导高. 这主要是因为在这几种结构中声子传输方向的散射界面数不同所导致的. 散射界面越多, 对应的热导就越低. 通过分析透射曲线和声子局域态密度图, 解释了这些热输运现象. 这些研究结果表明线型缺陷能够有效地调控石墨纳米带的热输运性质. 关键词： 石墨烯 线型缺陷 热导     

微尺度薄膜热导率测试技术

随着器件尺寸进入到微／纳米尺度，其热物性与体材料相比有了很大差别。在器件热性能和可靠性研究过程中，对热导率的测量成为了关键技术之一。本文概述了SiO2、SiNx、金刚石等薄膜在微小型器件中的用途及其热导率测试技术的发展，并进一步总结了用于薄膜热导率测量的常用方法。     

多空穴错位分布对石墨纳米带中热输运的影响

利用非平衡格林函数方法研究了石墨纳米带中三空穴错位分布对热输运性质的影响.研究结果发现:三空穴竖直并排结构对低频声子的散射较小,导致低温区域三空穴竖直并排时热导最大,而在高频区域,三空穴竖直并排结构对高频声子的散射较大,导致较高温度区域三空穴竖直并排时热导最小;三空穴的相对错位分布仅能较大幅度地调节面内声学模高频声子的透射概率,而三空穴的相对错位分布能较大幅度地调节垂直振动膜高频声子和低频声子的透射概率,导致三空穴的相对错位分布不仅能大幅调节面内声学模和垂直振动模的高温热导,也能大幅调节垂直振动模的低温热导.研究结果阐明了空穴位置不同的石墨纳米带的热导特性,为设计基于石墨纳米带的热输运量子器件提供了有效的理论依据.     

多通道石墨纳米带中弹性声学声子输运和热导特性

采用非平衡格林函数方法, 在保持总的能量输出通道中石墨链数不变的条件下, 研究并比较了并列的石墨纳米带通道中弹性声学声子输运和热导特性. 结果表明, 能量输出通道的增加能降低每个能量输出通道的热导; 与能量输入热库最近的能量输出通道热导最大, 最远的能量输出通道热导最小; 中间能量输出通道的热导性质与并列的各输出通道的结构参数密切相关, 最近和最远的能量输出通道的热导性质仅与各自能量输出通道的结构参数有关; 粗糙边缘结构能有效调节各通道的热导; 总的热导性质与能量输出通道石墨链数、能量输出通道数以及边缘结构粗糙程度密切相关.     

Microstructural analysis by scanning thermal microscopy of a nanocrystalline Fe surface induced by ultrasonic shot peening

Experiments were carried out using a scanning thermal microscope (SThM) to investigate the ultrafine-grained microstructures in the surface layer of a pure iron sample produced by ultrasonic shot peening. The analysis of thermal properties by SThM shows that the thermal conductivity strongly depends on the grain size of the microstructure. The different contrasts on the thermal conductivity images are used to estimate the thickness of the affected surface layer produced by ultrasonic shot peening. The results demonstrate that the SThM can be used as a powerful tool for the microstructural analysis of the ultrafine-grained surface layer.     

Local thermal conductivity of polycrystalline AlN ceramics measured by scanning thermal microscopy and complementary scanning electron microscopy techniques

The local thermal conductivity of polycrystalline aluminum nitride (AlN) ceramics is measured and imaged by using a scanning thermal microscope (SThM) and complementary scanning electron microscope (SEM) based techniques at room temperature. The quantitative thermal conductivity for the AlN sample is gained by using a SThM with a spatial resolution of sub-micrometer scale through using the 3ω method. A thermal conductivity of 308 W/m·K within grains corresponding to that of high-purity single crystal AlN is obtained. The slight differences in thermal conduction between the adjacent grains are found to result from crystallographic misorientations, as demonstrated in the electron backscattered diffraction. A much lower thermal conductivity at the grain boundary is due to impurities and defects enriched in these sites, as indicated by energy dispersive X-ray spectroscopy.     

探针法测量低温下生物材料导热系数研究

低温下导热系数测定对生物器官的低温保存很重要。本文用探针法对低温下鱼肉、猪瘦肉、牛肉和脂肪的导热系数进行了测量研究。研究发现肉类生物材料低温下的热导率明显小于冰的热导率,不同肉的热导率不同,从大到小依次是鱼肉、猪瘦肉、牛肉和脂肪,其中脂肪的热导率比其它的小很多。随着温度的下降导热系数反而增大。分析影响生物材料导热系数大小的是水分含量、结构质地和温度。     

应用脉冲加热/探测扫描技术进行表面下微尺度热结构探测过程的仿真

提出脉冲加热/探测扫描技术进行微尺度表面下热结构测量原理。通过对于复合材质试样表面受到脉冲热流作用时的瞬态热传导问题进行数值解析,得到各被扫描点的温度响应,根据对温度响应的数据处理结果给出热对比度的定义方式,进行扫描过程的仿真。根据仿真结果讨论分布状态,复合物深度,复合物与母材的物性比对于测量结果的影响。     

热凝固对生物组织热物性影响的实验研究

本文以蛋清为实验对象,研究了热凝固对生物组织热物性的影响,测量方法为阶跃温升法。实验结果表明,热 凝固后,蛋清的热导率平均上升了6.60％。因此,生物组织的热物性不但与其化学组成有关,还与其物理状态有关;采用 热凝固的方法治疗肿瘤时,应考虑热凝固对其热物性的影响,从而实现更加有效的治疗。     

表面粗糙度对薄膜面向热导率的影响研究

通过求解声子辐射输运方程(EPRT)计算得到了薄膜的面向晶格热导率.在薄膜界面采用与声子波长相关的镜反射率模型,考虑了薄膜的厚度、温度和表面粗糙度等对其热导率的影响.结果表明,界面粗糙度对薄膜热导率的影响很大.减小界面粗糙度,会使得薄膜热导率大大增加.另外,薄膜厚度减小使得热导率峰值对应的温度增加.     

纳米低温保护剂导热机理分析

纳米低温保护剂溶液比传统的低温保护剂溶液具有更好的导热性能,纳米微粒能够显著提高低温保护剂溶液的降温速率.本文探讨了纳米低温保护剂溶液导热性能的影响因素,提出了纳米低温保护剂导热模型,并通过与实验测得的数据进行了比对分析,结果表明所提出的模型是合理的.     

纳米悬浮液热导率测量及其预测模型的探讨

纳米颗粒悬浮液具有广泛应用于强化传热的潜在优势。本文采用加入表面活性剂的方法提高纳米悬浮液的悬浮稳定性,并用瞬态热线法测量了热导率。在分析现有理论模型和纳米悬浮液热导率影响因素研究的基础上,从弹性传动和非弹性传动两方面分析了纳米尺度效应导致纳米悬浮液热导率提高的机理。发现已有的理论公式仍然存在一定欠缺,预测值比实验值偏低,有关机理尚有待于深入探讨。     

热质的运动与传递-微尺度导热中的热质动能效应

基于热质(热量的当量动质量)的概念,通过建立和分析热质的运动方程得到了反映热质动能变化的稳态导热微分方程,表明Fourier导热定律只有在热质的动能变化相对热质势能变化很小而可以忽略时才成立;在高热流密度和低温的情况下热质的动能变化不可忽略,这种动能效应表现为热流密度和温度梯度不再成线性关系.动能效应也导致Fourier导热定律不能通过热流和温度梯度准确地获得物体的导热系数,本文基于热质运动方程给出了导热系数动能效应的修正式.最后针对高热流密度和低温一维稳态导热进行了分子动力学模拟验证.     

单颗种子导热系数的测定及传热过程实验研究

对于种子干燥方面的研究,大多是针对其宏观传热传质即干燥动力学方面。本文采用热成象技术对单颗蚕豆种子的传热过程进行了研究,用实验求解导热方程反问题的方法计算出不同含水率下单颗种子的导热系数,对种子在非稳态下内部温度场进行了测试与分析．研究结果表明,在含水率小于 ２０％时,其导热系数随着含水率的增加而增大,当含水率大于 ２５％时则表现出较强的非均质性和非稳态性。对单颗蚕豆种子内部温度场测定而得到的种子热剖面温度分布表明,种子内部存在温度梯度其热扩散具有均匀性,同时反映出种皮传热热阻的存在。这些结果对于深入研究种子内部的传热传质机理,具有重要的实际意义。