金属热导率的第一性原理计算方法在铝中的应用

热导率是金属材料的一个基本物理性质,金属材料热导率的计算对理解和设计新型热电材料具有重要的理论意义。由于金属的热导率由声子热导率和电子热导率两部分组成,本文从第一性原理计算出发,并以金属铝为例,计算了铝的声子谱和电子能带结构,并结合徳拜模型、形变势模型和Drude自由电子气模型,分别计算获得金属铝在300 K下的声子热导率和电子热导率为4.8 W/m K和186.1 W/m K,该计算值与实验值较吻合。该研究为预测和设计新的热电材料提供理论支持。     

多孔材料热导率通用计算方法

利用蒙特卡洛法对多孔材料的内部结构进行了重构,并验证了重构模型具有自相似性和标度不变性的分形特性.对重构的多孔材料模型进行网格划分,利用二值化原理识别网格中的固体基质和流体孔隙,构筑材料内部真实传热过程的串并联混合热阻阵列图,建立适用于各种均质和非均质多孔材料热导率的计算方法——二值化阵列法.基于该方法,对闭孔泡沫铝和硅酸铝耐火纤维材料的热导率进行了计算,并与文献中的实验测量值进行了比较,具有较好的一致性,验证了本方法的正确性和普适性.     

金刚石颗粒增强铜基散热材料的研究进展

随着现代电子行业高速发展对散热材料的性能提出了更高的要求,新型散热材料的研制已成为发展电子元器件的关键之一.新型的散热材料不仅要有高的热导率,而且热膨胀系数必须与半导体材料相匹配.金刚石/铜基复合材料作为新一代电子散热材料,目前已成为国内外研究的热点.在综合大量文献资料的基础上,对金刚石/铜基散热材料的特性及其制备工艺进行综述,并提出了目前制备金刚石/铜基散热材料存在的问题及发展趋势.     

考虑热探针接触热阻的热物性测量方法研究

提出了基于考虑接触热阻的热探针导热微分方程的精确解,利用蒙特卡罗反演和分层修正的热探针热物性测量方法,可以同时测量热导率、比热容等热物性参数.利用该方法,对一些液体和固体材料的热导率进行了测量,并与其他测量方法的结果进行了分析与比较.结果表明,采用该方法所得热导率具有较高的精度,平均测量误差约为1.1%;进而针对比热容反演精度较低的问题,论文采用分层修正方法后,比热容的平均测量误差可达到2.6%,精度有了较大提高.对测量结果进行比较发现,接触热阻对固体热导率影响较大,对液体热导率的影响可以忽略;接触热阻对比热容的测量结果的影响不大.     

Thermal Conductivity Measurement of Materials by Cross Hot-wire Method: the Effect of Thermal Couple on the Measure

对“交叉热线”实验中测温热电偶尺寸对材料热导率测量精度的影响做出了理论分析，推导出一个实用的热线温升修正关系式。用它对硅藻土砖、轻质粘土砖和建筑红砖这类不透明固体的热导率进行了测试，结果与平面热源法及文献中的数据相符合，此外，在３００～１３００Ｋ温度范围内，对Ｋ９冕玻璃试样的热导率进行了测量。     

阴极发光技术及其应用

阴极发光是通过阴极电子束轰击固体材料使之产生电子跃迁而发光的一种物理学现象.它以矿物结构学、光谱学和化学键相关的晶体场理论、分子轨道理论及能带理论为基础,为固体材料研究提供了新的概念和广阔的应用前景.通过发光,可以帮助我们了解固体材料的原子结构、电子结构、性质以及对压力、温度的依赖关系,还能了解固体材料在形成和转变过程中各种现象和反应机理.新研制成功的发光仪,在地质学、矿物学、岩石学、材料学及天体、医学、宝石鉴定等学科相继应     

“交叉热线”测量固体材料的热导率：测温热电偶的影响

对“交叉热线”实验中测温热电偶尺寸对材料热导率测量精度的影响做出了理论分析，推导出一个帝用的热线温升修正关系工，用它对硅藻土砖，轻质粘土砖和建筑红砖这类不透明固体的热导率进行了测试，结果与平面热源法及文献中的数据相符合。此外，在３００￣１３００Ｋ温度范围内，对Ｋ９冕玻璃试样的热导率进行了测量。     

SPS方法制备铜/金刚石复合材料

采用放电等离子烧结(SPS)方法制备出高体积分数的铜/金刚石复合材料,并对复合材料的致密度、热导率和热膨胀系数等进行了研究.结果表明,采用该方法制备的铜/金刚石复合材料微观组织均匀,致密度分布为94%～99%,最高热导率为305W.(m.K)-1,热膨胀系数与常见电子半导体材料相匹配,能够满足电子封装材料的要求.     

Zintl相化合物Sr_3Ga_2M_4(M=P,As)的电子结构和成键特征

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了Zintl相Sr_3Ga_2M_4(M=P,As)的电子结构和成键特征.计算得到的晶格常数和实验符合得很好,确保了计算的准确性.相似的态密度表明两种化合物能带结构近似,Sr_3Ga_2P_4和Sr_3Ga_2As_4的带隙分别为0.99eV和0.74eV,价带顶最高点和最低点分别位于Γ点和X点说明材料为窄带隙间接半导体,满足对热电材料的带隙要求.利用电子局域函数分析其成键特性,晶体结构内部展现出共价键和离子键的共存,符合Zintl相材料成键特征,这种复杂的结构有利于材料的低热导率.对有效质量的分析和计算进一步表明材料具有潜在的热电特性.     

微波介质相对介电常数与损耗正切的高温测量系统

当飞行体等在大气中高速飞行时,用陶瓷或微晶玻璃等微波介质制成的雷达天线罩等部件的温度将急剧升高.研究介质材料在高温条件下的物理特性,特别是电气特性,无论对材料的研制者还是使用者,都是一项必不可少的基础研究工作.研制者根据测得的可靠数据,可以对材料的配方、工艺流程和技术条件等进行分析、比较和筛选,定出最佳实施方案,并将合格材料提供给使用者.使用者由于掌握了不同温度下介质的介电常数和损耗正切等数据,可以对部件进行正确的设计.本文介绍我们与上海玻璃钢研究所合作研制的一套高温测量系统,它可用来在高温条件下对固体微波介质的介电常数和损耗正切进行准确测量.     

纳米多孔结构单晶硅热电薄膜声子热导率数值研究

为降低多孔热电薄膜的热导率来提升其热电转换效率,基于离散坐标法和松弛时间近似模型求解声子Boltzmann输运方程,对单晶硅纳米多孔热电薄膜声子热导率进行了数值研究,获得了多孔硅薄膜厚度、孔隙率、边界镜面率和声子散射边界面积对其热导率的影响规律,讨论了孔隙率、多孔薄膜厚度对薄膜各向异性导热特性的影响。结果表明:随着孔隙率的增加及薄膜厚度的减小,热导率逐渐降低;当孔隙率增加到64%,且硅薄膜厚度减小到块材料硅声子平均自由程的1/10时,与块材料热导率相比,薄膜热导率至少下降两个数量级。通过分析多孔薄膜中的热流分布特性,提出了优化设计薄膜多孔结构的方法,为设计低热导率高效热电薄膜提供了理论依据。     

合金钢的热导率计算

基于大量钢的热导率数据,采用多元线性回归方法建立了合金钢的热导率和化学成分的定量关系式.回归分析结果表明,用强碳化物和非强碳化物形成元素的总质量分数,Si和C的质量分数作为多元线性回归的自变量是合适的.由于和基体Fe的外层电子结构的显著差异,Si元素对钢的热导率的减小效果远大于过渡族元素;C元素增加钢的热导率是由于C原子的增加使更多的碳化物形成元素分配到碳化物中,从而减弱了这些元素对基体热导率的影响.     

伪半固态触变成形制备SiCp/Al电子封装材料的组织与性能

采用伪半固态触变成形工艺制备了40%、56%和63%三种不同SiC体积分数颗粒增强Al基电子封装材料,并借助光学显微镜和扫描电镜分析了材料中Al和SiC的形态分布及其断口形貌,测定了材料的密度、致密度、热导率、热膨胀系数、抗压强度和抗弯强度.结果表明,通过伪半固态触变成形工艺可制备出的不同SiC体积分数Al基电子封装材料,其致密度高,热膨胀系数可控,材料中Al基体相互连接构成网状,SiC颗粒均匀镶嵌分布于Al基体中.随着SiC颗粒体积分数的增加,电子封装材料密度和室温下的热导率稍有增加,热膨胀系数逐渐减小,室温下的抗压强度和抗弯强度逐渐增加.SiC/Al电子封装材料的断裂方式为SiC的脆性断裂,同时伴随着Al基体的韧性断裂.     

3D打印技术制备热电发电器件

正热电材料是通过固体中的载流子(空穴或电子)输运来实现热能和电能之间相互直接转换的一种环境友好型功能材料。热电制冷和热电发电的理论基础分别是Peltier效应(图1a)和Seebeck效应(图1b)~([1])。通常材料热电性能的优劣是由无量纲热电优值ZT来衡量(ZT=S~2σT/κ,其中S是材料的Seebeck系数;σ和κ分别为材料的电导率和热导率;T为绝对温度)~([2])。但是上述公式中的Seebeck     

气氛环境介电温谱测试系统的研制

设计了一套可用于气氛环境下介电温度特性的测试系统,并将气氛环境引入到测试过程中,从而实现了不同气氛环境下(氧化、中性或还原性气氛)对电子材料介电性能参数的测试测试结果表明,电子材料的电学性能参数受到测试气氛的影响和作用,为研究材料内部复杂的缺陷结构和极化机制提供了一种直接有效的测试手段实验证明,测试系统运行可靠,数据精确     

布拉菲晶格布里渊区及费米面的分析和计算

布里渊区和费米面是固体电子论建立的基础.在研究和分析晶体电子态、晶体材料中波的性质以及原子点阵振动理论中都会涉及到布里渊区的概念;费米面的研究对深化材料电导率、热导率等物理性质的认识提供了重要的理论基础.本文结合自由电子波函数理论描绘出二维晶格的布里渊区与相应的自由电子气费米面的构造图.由于晶体中离子实在平衡位置的微弱振动对实际费米面的构造及形状具有一定的影响,从自由电子的微扰论出发可以对真实金属费米面的畸变进行合理的理论解释.     

固体氧化物燃料电池电解质用离子导体

固体氧化物燃料电池以其高的能量转换效率和清洁的发电而被广泛研究.其中电解质—离子导体材料是影响固体燃料电池的效率和热力学稳定性的关键.作为所期望的电解质材料应满足以下要求(1)高的离子导电,(2)低的电子导电,(3)在使用条件一热力学稳定,(4)好的综合力学性能.在一些荧石相关结构和钙钛矿塑结构的氧化物中通过掺杂和取代形成氧空位可得到高的氧离子导电性.本文介绍了一些这类离子导体材料,并讨论了它们的特性.     

陶瓷涂层材料多模态数据表征学习

陶瓷涂层具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损等特性, 其热膨胀系数和热导率等参数与其性能息息相关. 为解决陶瓷涂层性能实验成本高、测试困难等问题, 提出了陶瓷涂层材料多模态数据表征学习的性能预测方法. 首先利用高斯混合模型虚拟样本生成(Gaussian mixture model virtual sample generation, GMMVSG)算法生成符合真实陶瓷涂层数据分布的样本来扩充数据集; 其次利用卷积神经网络 VGG16 对陶瓷涂层的显微结构图像数据进行特征提取, 利用 TabNet 对结构化数据进行特征提取, 将提取到的图像数据特征与结构化数据特征融合; 最终根据多模态数据表征建立基于K-最近邻(K-nearest neighbor, KNN)、支持向量机回归(support vector regression, SVR)和多层感知机(multi-layer perceptron, MLP) 3 种机器学习算法的预测模型, 对陶瓷涂层的性能指标, 即热膨胀系数和热导率进行了预测. 实验结果表明: 提出的多模态数据表征学习模型的预测结果要优于单模态数据表征学习模型, 其中基于 MLP 算法训练的多模态数据表征学习模型对陶瓷涂层性能的预测效果最好; 在测试集中, 对陶瓷涂层热膨胀系数预测的平均绝对误差(mean absolute error, MAE)和均方误差(mean square error, MSE)分别为 0.026 6 和 0.001 7, 对热导率预测的 MAE 和 MSE 分别为 0.017 9 和 0.000 7. 所提出的陶瓷涂层材料多模态数据表征学习方法有效融合了结构化数据与非结构化数据, 联合学习了各模态数据的潜在共享信息, 成功提升了对陶瓷涂料层材料性能预测的准确度.     

石墨烯在强化传热领域的研究进展

 石墨烯是一种单原子层厚度的二维平面碳纳米材料,具有超高的载流子迁移率、高热导率等特性。本文综述目前石墨烯在强化传热领域的研究进展,包括石墨烯热导率的测试方法,以及石墨烯在纳米流体、热界面材料、高导热复合高分子材料方面的应用,并对未来石墨烯的研究方向进行展望。     

高硅铝合金材料高温充氧氧化工艺

针对应用广泛的高硅铝合金电子封装材料,采用高温充氧氧化工艺,对已挤压成形的Al-30Si及Al-40Si高硅铝合金材料进行后续处理,通过扫描电镜、金相显微镜、热物性测试仪及电子万能拉伸试验机等,对材料显微组织、密度、气密性、热膨胀系数、热导率及抗压强度进行了分析比较。研究结果表明:高温充氧氧化后材料晶粒长大,Si含量高的材料长大更为明显,并存在Si颗粒偏聚现象;高温氧化后材料致密度增加,气密性提高;氧化后Al-30Si材料热膨胀系数略有增加,而充氧氧化对Al-40Si材料的热膨胀系数的影响不明显,但可提高材料热导率,Al-30Si与Al-40Si材料热导率分别提高16.4%和23.5%;高温氧化工艺显著降低材料抗压强度,Al-30Si与Al-40Si材料经氧化后抗压强度分别下降26.8%和20.5%。