声子气的状态方程和声子气运动的守恒方程

根据爱因斯坦的狭义相对论中质能的等效关系，把固体(本文指非导体)晶格(原子)的质量分为晶格(原子)的静质量和晶格热振动能量的等效质量两个部分，后者就是固体中声子气的等效质量.晶格(原子)热振动的能量则分为晶格(原子)静质量具有的热能以及声子气质量具有的热能.基于固体的状态方程，导得了晶格静质量热振动的状态方程和声子气的状态方程.声子气在固体介质中的宏观运动就是热量在固体中的传递过程.建立了声子气运动的守恒方程组，分析表明，忽略惯性力时声子气的动量守恒方程就退化为傅里叶导热定律，阐明了傅里叶导热定律的物理本质是声子气驱动力与阻力的平衡方程.当热流密度很大惯性力不能忽略时，傅里叶导热定律不再适用. 关键词： 非傅里叶导热 声子气 声子气质量 状态方程 守恒方程     

微纳米电子器件散热过程中的物理问题

微纳米电子器件的散热问题是目前制约半导体工业发展的重要瓶颈.将电子器件工作时产生的热量传输到封装外壳后再耗散到环境中去需要好几个步骤,每个步骤需要不同的方法,其中有些步骤涉及到了固体中的界面热传导问题和高性能导热材料.文章先介绍了近期关于微纳米尺度器件散热问题中碰到的热传导问题在理论和实验两方面的研究进展.在热传导理论和计算方法方面,作者讨论了傅里叶定律在微纳米尺度的适用性,介绍了玻尔兹曼方程、分子动力学模拟和格林函数方法.在热传导实验方面,介绍了用扫描热显微镜测量样品表面温度和用超快激光反射法测量薄膜材料的热导率及其界面热阻.然后介绍了界面热传导问题,包括界面热阻的计算以及电子—声子相互作用对界面热阻的影响.最后作者介绍了关于高性能导热材料方面的最新进展,包括碳基导热材料、晶格结构类似于石墨烯的氮化硼材料、高分子有机材料以及界面热阻材料.     

冲击波后温度测量的理论问题

 本文讨论了冲击波后温度弛豫的理论方法。和R. Grover及P.A. Urtiew不同，采用了非傅里叶热传导理论，结果和实验十分符合，而实验结果用傅里叶热传导理论是无法解释的。当时间趋于无穷时，这两种方法的结果又趋于一致，文章中作了物理原因的解释。     

固态金属中声子热传递的分子动力学模拟研究

固态金属中的热传递是声子和自由电子共同作用的结果。自由电子引起的热导率可以通过电导率,利用Wiedemann-Franz定律得到,声子引起的热导率目前仍然不能进行实验测量,只能借助其他方法来研究。本文采用非平衡分子动力学(NEMD)方法,用镶嵌原子方法(EAM)势能模型,模拟计算了不同厚度(1.760-10.56nm)金属镍薄膜中由于声子-声子作用引起的热导率。然后根据纳米厚度金属薄膜的热导率借助关联式推到宏观尺度下由于声子-声子作用引起的热导率。结果表明,对于纳米厚度金属薄膜,由于声子-声子作用引起的热导率比块体金属镍的热导率小一个数量级;薄膜厚度越小,声子-声子作用引起的热导率越小;对于块体金属镍,由于声子-声子作用引起的热导率约占其总热导率的33.0%左右。     

二元氧化物Yb3TaO7的非晶状热传导机理

具有非晶状热导率的固体材料在热能转换和热管理应用中备受青睐.因此,揭示晶体材料的非晶状热传导机理对于开发和设计低热导率材料至关重要.本文运用原子模拟方法揭示了萤石结构二元简单晶体Yb₃TaO₇的非晶状低热导率的物理机理.研究发现,萤石Yb₃TaO₇的低热导率主要是由O-Yb和O-Ta之间的原子间结合力相差较大引起的.这种相差较大的原子键可以极大地软化声子模式,从而抑制声子输运.振动模式分解显示,萤石Yb₃TaO₇中的大多数声子模式位于Ioffe-Regel极限以下,表现出强烈的扩散特征.萤石Yb₃TaO₇中绝大部分(> 90%)的热流是通过扩散模式而不是传播模式传输.因此,萤石Yb₃TaO₇中的热传导表现出独特的类非晶特性.同时发现,萤石Yb₃TaO₇中的光学声子模式在热传导中发挥着重要的作用.本文对于原子间结合力与低热...     

固-固接触热传导的声子传递系数

声子传递系数是影响低温接触界面热传导的重要因素,文中对中间低温(20K~200K)接触传导模型的声子传递系数进行了讨论,分析了接触界面温差、弹性镜面传递和散射传递下的声子传递系数;还讨论了热流方向对声子传递系数的影响;指出了声失配理论预测值与实验值间存在差别的可能原因。该讨论对分析接触热传导有一定意义。     

Fermi-Pasta-Ulam β 格点链系统能量载流子研究

Fermi-Pasta-Ulam (FPU) β格点链中能量输运的载流子是孤子还是声子一直存在较多的争议. 本文通过单脉冲方法, 明确了一个能量波包在该格点链系统中从声子波包转变成为孤子波包的条件, 即波包能量达到一定阈值. 基于纯四次势链的声子真空效应, 构造了由FPU-β链与纯四次势链构成的双段链系统. 通过对比研究双段链系统和单段FPU-β链中的热流, 发现低温下声子是FPU-β链中能量的主要载流子, 而随着温度的升高孤子逐步取代声子成为能量的主要载流子. 关键词： Fermi-Pasta-Ulam格点链 声子 孤子 热传导     

纳米单原子链的热传导

根据Hardy能流密度公式、Kubo热导率公式,推导了纳米单原子链的热传导系数公式,并进行了数值计算.研究结果表明,纳米原子链的热传导系数小于无限长原子链的热传导系数,并且纳米原子链的长度越短,则热传导系数越小.这些现象可以作如下解释:原子链可以看作是一维晶格,格波在到达原子链端点时会发生反射,而改变了格波的能量传播方向,使能流密度降低,从而使纳米原子链的热导率小于无限长原子链的热导率.并且原子链越短,格波在到达原子链端点的过程中衰减越小,从而使反射格波的能流密度越接近于入射格波的能流密度,使能流密度更为降低,从而使纳米原子链的热导率更小.     

HL－1装置热脉冲传播的傅里叶分析

本文采用一种新提出的数值方法［１］，即傅里叶变换分析法，研究了ＨＬ－１装置中用软Ｘ射线测量得到的锯齿振荡诱导的热脉冲传播行为。此方法不仅可以计算扰动调制的热传导系数，而且可以分析各次谐波的幅值和相位随频率及空间的演变，并与热脉冲峰值时间延迟分析法进行了比较，两者推算的热传导系数符合较好。所得结果和稳态能量平衡方法的推测值也为同一量级。在相似条件下，氘放电的热传导系数比氢小，即同位素效应能改善约束。大量运算结果表明，傅里叶分析法和峰值时间延迟分析法都可用于ＨＬ－１装置热脉冲传播的常规数值分析，并可应用于ＨＬ－１Ｍ的数据处理。     

单壁碳纳米管晶格热导率的理论计算

基于线性波尔兹曼输运方程和碳纳米管的色散关系,本文研究了声子散射的Umklapp和Normal过程同时存在时单壁碳纳米管的晶格热导率,以及温度、管长和管径对它的影响.结果表明:N过程的影响在高温不能忽略;对(10,0)管而言,在低温下其导热率随温度升高迅速增大,在90 K附近达到最大值,然后逐渐开始下降;热导率与管长L的关系是κ∝ L1/2;在相同管长和温度下,热导率随管径的减小而增大.     

微结构光纤预制棒拉制过程的温度场分布

根据非稳态傅里叶热传导方程及微结构光纤(MSF)预制棒的初始条件和边界条件，建立圆柱形坐标系，推导出MSF预制棒的温度场分布方程.计算结果表明：当MSF预制棒在高温炉内的温度场分布接近热传导稳态分布时的下棒速度为制备MSF的最佳速度，此时高温炉的加热温度可降低到MSF预制棒的软化温度，另外，随着MSF空气填充率的增加，MSF预制棒的下棒速度也应加快. 关键词： 微结构光纤 光纤预制棒 温度场分布 热传导     

飞秒激光辐照下硅薄膜的非傅里叶能量输运

当激光能量激励时间与能量载子的特征弛豫时间相当时，能量输运不再是建立在温度梯度基础上的扩散方式，宏观输运模型失去其成立的物理基础，需要用更严格的包含电声子相互作用的非傅里叶输运模型来描述。针对飞秒激光作用下100nm厚度硅薄膜内的微观能量输运过程，从弛豫时间近似下的电子Boltzmann输运方程出发（仅考虑电子间的弹性散射），结合电子和声子的能量守恒方程（包含电子和声子之间的能量耦合项），可以得到双曲双步输运方程：     

两相混合材料瞬态导热分析

本文基于傅里叶定律之上提出了双相系统模型描述两相混合材料中的瞬态热传导过程，分析表明两相混合材料中的瞬态导热过程不能再用单相一维傅甲叶导热定律描述，这一点已为砂粒堆积床的实验所证实，而且双相系统模型与实验结果相符合。     

气粒两相流传热问题的光滑离散颗粒流体动力学方法数值模拟

在气粒两相流动问题中,颗粒间以及气体与颗粒间的传热问题不可忽略.光滑离散颗粒流体动力学(SDPH)模型作为一种新的求解气粒两相流动问题的方法,已经成功应用于模拟风沙运动等问题.在此基础上,提出了SDPH方法的热传导模型,模拟了气粒两相流动问题中的热传导过程以及颗粒蒸发过程.首先引入各相的能量方程,利用有限差分与光滑粒子流体动力学一阶导数相结合的方法,处理各相内部热传导项中的二阶导数问题,基于气粒两相间温度差及对流换热系数计算颗粒与气体间的热传导量,推导得到了含热传导模型的气粒两相流SDPH计算方程组,模拟计算了圆盘形颗粒团算例及鼓泡流化床内部热传导算例,并与双流体模型计算结果进行对比,结果基本符合;其次利用离散液滴模型中的颗粒蒸发传质传热定律计算颗粒的蒸发过程,数值模拟了颗粒射流蒸发过程,并与离散颗粒模型结果进行对比,两者符合得较好,验证了该方法的准确性及实用性.     

应用于非线性热传导方程的格子玻尔兹曼方法

将格子玻尔兹曼方法应用于非线性热传导方程的求解,详细推导一种新的Lattice Boltzmann模型,并给出新方法所对应的多尺度方案和宏观量形式.导热系数与温度之间满足多项式函数关系,计算中模拟了不同的参数情况,并与线性热传导方程的理论解进行比较.新的Lattice Boltzmann方法展现出极大的灵活性和普适性,具有很好的应用前景.     

直流法测试薄膜热导的数值模拟研究

薄膜的热导率是薄膜热学性能的最重要参数之一, 相对于多数文献的二维或三维测试结构, 本文采用一维双端支撑悬臂梁结构研究了薄膜热导率的测试方法. 悬臂梁包含上层的兼做加热电阻及测温电阻的金属条和下层的待测试薄膜. 利用一维热传导方程推导并获得了在直流电流加热条件下, 悬臂梁的温升分布(Δ T)及加热电阻两端电压增量(Δ U) 表达式与薄膜热导率之间的关系. 采用ANSYS有限元软件仿真了不同仿真参数时的Δ T及Δ U, 仿真结果与温升表达式计算结果符合得很好. 与常用的3倍频率法(3ω) 薄膜热学性能测试方法相比, 一维悬臂梁直流法测试结构及手段较为简单且可以获得更为精确的结果.     

点热源触发的超导复合材料低温广义热传导特性分析北大核心CSCD

本文针对超导材料在低温和跨温区环境下的热传导特性,基于广义热传导理论并考虑超导材料低温下的比热、热导率的温度依赖性,建立了一描述超导复合带材在点热源触发下的非线性热传导模型.采用有限元法进一步求解获得了超导复合带材低温和跨温区环境下的温度场演化特征.研究结果表明:低温下超导复合材料的参数温度依赖性对其温度分布与热传导特性有着显著影响,其随初始环境温度的升高而逐渐减弱;热松弛时间对低温下超导材料的热传导具有显著影响.另外,文中还讨论了超导复合材料不同铜超比对其低温热传导的影响等.     

多约束纳米结构的声子热导率模型研究

纳米技术的快速发展使得对微纳尺度导热机理的深入研究变得至关重要. 理论和实验都表明, 在纳米尺度下声子热导率将表现出尺寸效应. 基于声子玻尔兹曼方程和修正声子平均自由程的方法得到了多约束纳米结构的声子热导率模型, 可以描述多个几何约束共同作用下热导率的尺寸效应. 不同几何约束对声子输运的限制作用可以分开计算, 总体影响则通过马西森定则进行耦合. 对于热流方向的约束, 采用扩散近似的方法求解声子玻尔兹曼方程; 对于侧面边界约束, 采用修正平均自由程的方法计算边界散射对热导率的影响. 得到的模型能够预测纳米薄膜(法向和面向)及有限长度方形纳米线的热导率随相应特征尺寸的变化. 与蒙特卡罗模拟及硅纳米结构热导率实验值的对比验证了模型的正确性.     

基于热质运动概念的普适导热定律

根据爱因斯坦的质能等效关系式,热能具有的等效质量称为热质,从而在固态和气态介质中分别建立了声子气质量和热子气质量的概念.应用牛顿定律建立了含有驱动力、阻力和惯性力的热质(声子气或热子气)运动的动量守恒方程.由于热量在介质中的传递本质上就是热质(声子气和热子气)在介质中的运动,所以热质动量守恒方程就是普适的导热定律,能够统一描述各种条件下的导热规律.当热流密度不是很大从而热质惯性力可以忽略时,热质动量守恒方程就退化为傅里叶导热定律,这表明傅里叶导热定律是特殊条件下的导热定律,对于微纳尺度条件下的导热,热流密度可以极高,由速度空间变化引起的惯性力不能忽略,在稳态导热情况下也将出现非傅里叶导热,此时在计算或者实验中不能用热流密度除温度梯度求导热系数.在超快速加热条件下,必需考虑惯性力,与基于CV导热模型的波动方程相比,普适的导热定律增加了因速度空间变化引起的惯性力项,所以在介质中热波叠加时不会出现产生负温度的非物理现象,表明基于热质运动概念的普适导热定律更为合理. 关键词： 傅里叶导热定律 普适导热定律 热质运动 非傅里叶导热     

固-固接触界面热传输研究

提出了固-固接触热传导接触界面层的概念并进行了解释。接触界面层的建立,把微结构的散射和辐射热传导机制统一于界面层内,通过对接触界面层、接触界面层的厚度和界面层热导率等的讨论,初步揭示了接触界面层热传导的机制。在界面层微观传热的机制上,建立了接触界面层热阻预测模型,并把模型预测接触热阻值与扩散失陪模型(DMM)以及实验值进行了比较。结果显示该模型克服了DMM模型预测值偏低的缺陷,这些将对接触界面层的微尺度热分析有一定的帮助。