清华大学彭晓峰-微纳尺度传热概述

微纳尺度传热概述清华大学相变与界面传递现象实验室2008年08月2日内容¾概貌与基本概念¾研究内涵¾现状与趋势概貌与基本概念¾学科内涵考虑微纳尺度影响和效应的能源转换、传递、有效利用规律¾研究背景能源动力与环境生态安全、新兴工艺、高新科技¾驱动力猎奇探秘、需求多样性复杂性、极端现象、交叉融合¾突出特点微观深化、耦合与新驱动、学科交叉、科学新理念1.高科技需求¾电子器件等的热障；激光器、LED等的寿命¾生物医学、材料制备加工等的精准调控¾新型微小能源系统的高效紧凑特征：尺度微小化、热流高密度化背景Moore’sLawThenumberoftransistorspersquareinchonintegratedcircuitsdoublesapproximatelyevery18monthsExample:smallerinscaleElectronicspackagesmakespaceveryvariablePackaginginterfaceSeverespatialconstraintsmorecompactelectronicheatgeneratingvolumeHeattransferonthechipbecomesasubjectofoutstandingsignificanceforthermaldesign.E-coolingissuesHeatconductioninelectronicinterfaceAnyengineeringsurfaceisroughonamicroscopiclevel.Heatflowingfromonebodyintoanotherisconstrictedtoflowthroughtheactualcontactspots.lowkhighkTIMThermalinterfacematerials(TIMs)Insertedbetweenthesurfacesofacontactpairtoreducethethermalcontactresistance.PressedTIMRequiredqualities:HighconductivityHighcomplianceMoreregionscontactedcomposites(Vishal,etal.2004)HeatconductioninelectronicinterfaceCompositematerialFlowable/deformablematrixmaterialsHeatconductiveparticlefillersSiliconeoil,etc.Al2O3,ZnO,BN,etc.Example:TIMTheratiobetweenmatrixmaterialandparticlefillersisvitaltotheresistance,thustheheatconduction.AtypicalinverseproblemofheattransferCoupledwithnanotechnologyHighestthermalconductivityPromisingcandidatesfornext-generationTIMs‹DirectlyusingasTIMfillers‹UsingCNTsandmicroparticlessimultaneouslyCarbonnanotubes(CNTs)‹UsingverticallyorientatedcarbonnanotubearraysdirectlygrownonsiliconkTIM＝70-80W/mKContactresistanceshouldbefurtherreduced.(Hu,etal.2005)Review(Hu,etal.2005)2.学科内涵延伸¾微纳尺度效应引起诸多崭新传递现象¾学科发展必然与高科技交叉融合¾研究探索走向微观，更多考虑宏微观过渡¾高技术发展提供了需求契机－微纳尺度传热背景TimeArrow1879年EdwinHallHallEffect1980冯.克力青KalusvonKlitzing1985年诺贝尔物理奖量子霍耳效应RH＝h/e22005PhononHallEffectPhononHallEffectC.Strohm等人PhononHallEffect-声子霍耳效应？RelationshipwithHeatConduction„固体导热：微观粒子(声子、电子)的运动。„如果这些微观粒子的运动发生改变，那么必定会从微观的层面影响导热过程。„热流的分布。。。„磁场通过对电子和声子的作用来影响导热。„磁－热效应„热－电效应„电－磁效应或许能在物理本质上最终统一起来能源技术–系统技术日本的氢能世界能源网络欧共体新型能源系统美国能源利用系统OperatingOperatingTheDistributedUtilityTheDistributedUtilityGensetWindPhotovoltaicCentralGeneratingStation~~TransmissionLineRegionalDispatchDistributionSubstationEnergyValueInformationSmartControllerBatteryCommunication&ControlLinksDistributionLineFactoryTownRemoteLoadElectricPowerMonitoring&ControlLines13能源技术–再生能源理想的生物质利用概念图太阳能利用与建筑一体化1.主流热点前沿和突飞猛进的发展领域¾国际学术届集中研讨的主题¾传统领域也都渗透了微纳米传递机理认识和理论发展的内涵¾改变了本学科科学研究和技术应用的理念¾架起了经典理论与未来发展和与现代科技密切相连的桥梁2.微纳米传递已成为探索基本现象、规律和进行理论描述的新基点¾导热机理探索和热功能材料¾对流过程特征和基本规律认识¾辐射规律和量子理论¾复杂耦合传递描述与新型能源技术基础原理意义3.微纳米传递成就了崭新能源利用和转换技术¾基于微纳米传递的功能热材料技术与应用¾微细观机理认识产生的高效紧凑传热技术和装备¾从界面传递机理诱导发展的高热流密度冷却和高温防护技术¾多效耦合节能环保工艺技术和特殊用途技术方法（包括军事）4.微纳米传递是与前沿学科和高技术领域交叉融合的切入点和核心¾进入本学科领域的前沿也无不从微纳米入手¾与当今科学前沿(纳米、生物、信息等)交叉都涉及微纳传递现象¾产生新理论和新技术的源头¾开拓与注入新研究热点和前沿的活力意义1.尺度特征¾空间尺度的趋小-微米纳米¾时间尺度的趋快-皮秒飞秒¾物理作用的趋异-局域主导¾平衡内涵的趋失-瞬时演变2.基本表象¾时空尺度明显影响或改变宏观特性-变异出新¾尺度凸显出微观物理作用的影响-改变认识¾利用基本现象和规律跨越技术障碍-创新理念基本概念3.概念内涵¾探讨物理现象和过程的时空尺度效应¾以崭新视角与层面厘清变异和新现象¾超越常规地构筑理性认识和规律描述¾创造独有的能源转换技术理念和方法基本概念1.过去¾发现确认¾厘清界定2.现时¾认识描述¾机理探索3.将来¾理性抽象¾知识演绎历程简览研究内涵-科学内涵分类1.全新探索¾Thermo-electric转换¾量子/微细效应驱动传递与转换2.尺度效应¾时空尺度减小引起的内在效应（变异或出新）¾利用微纳物质（颗粒）/结构的诱发效应（改进或创造）3.机理认识¾重新认识经典和极端行为¾创新知识体系和科学理念研究内涵-传统形态分类1.导热1.微观机理；2.界面性质与热阻；3.导热材料（结构）；4.热物性……2.对流1.微通道内；2.微结构；3.微纳米流体；4.微驱动；5.微分离、混合与反应；3.微相变……3.辐射1.微纳结构表面与内部辐射；2.过程射线与微微纳粒子（结构）作用；3.高频脉冲辐射与相互作用机理；4.微纳粒子辐射特性；5.近场辐射……4.交叉和新现象研究内涵-方法与手段1.量子与光电磁理论声子辐射输运；光声波动粒子特性分析；粒子凝聚理论……2.传统理论的延伸多效应耦合与驱动分析；时域尺度修正；宏微观结合与多尺度耦合；前沿领域理论引申和移植……3.数值模拟分子动力学模拟；Lattic-Bolzmann；多尺度与跨尺度……4.实验光电技术、微观粒子技术：激光粒子成像、CT层析、电镜、原子力表面分析、隧道显微……Theoreticalmodes„宏观的C-V波动模型（MacroscopicC-V-wavemodel，M.C.Cattaneo-P.Vernotte）„微观的两步模型（Microtwo-stepmodel）„微观声子散射模型（Microscopicphonon-scatteringmodel）„宏观的双元相延迟模型(TheDualPhaseLagModel)Whatdoweneedtosee„SmallerÆStructure„FasterÆProcess„CombineÆAdetailedmap„Spectroscopy„Graphics„OthersInterdisciplinaryscienceExperimentalmethodsRelatedScienceTopicsProteinfolding/Membraneformation/Micellarassemblythermodynamically-stablethree-dimensionalshapecuriousstructureofmicelles,dependingonconcentration,temperatureandotherthermodynamicparametersRelatedScienceTopicsFunctionalmaterials/LithographyindustryHowtodefectreduction1.Thermalenergyexcitessurfaceplasmonsonthematerials2.Agratinginmaterialprovidephasedcouplingbetweentheplasomnsandemittedphotons.X-rayscattering„Crystallinesample/powder/proteinsIntensitypattern2ÅÆ2X-rayscattering„SAXS/WASX/powderdiffractionSumFrequencyGeneration(SFG)„ParticularlyforprobingburiedinterfacespsfsSecondordernon-linearopticalprocessÆforbiddeninthecentrosymmetricbulkphasesVSFspectraof:CCl4/waterHexane/waterVapor/waterÆIndicatingdifferencesinhydrogenbondingatthevariousinterfacesInfraredspectroscopy(IR)TransmittanceorabsorbancespectrumÅspecificfrequenciesatdiscreteenergylevelsÅshapeofthemolecular/massesofatoms/vibrationalmodeRelatedScienceTopics„Combustion/JetTemperatureresolutionisabout7Kwhilemixturefractioncanberesolvedto2%.1.ChangefluorescingtracersAcetone3-PentanoneToluene2.ChangeexitedlaserUV-lightVisible-lightInfraredRelatedScienceTopics