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纳米传热

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纳米传热

概述

纳米传热就是研究纳米材料独特的热性质的科学,是传热学的一个新领域。
近半个多世纪以来,微纳尺度科技突飞猛进,极大地促进了计算机等新科技产品的发明和飞速发展。纳米科技通常指代尺度在1到100nm之间物质特性的研究。由于纳米尺度下的材料拥有极高的表面体积比,它们独特的输运性质(包括热量输运)吸引了众多的科研工作者的目光。
芯片的小型化和集成化会导致单位面积内芯片产热的增加,所以芯片的散热性能是芯片设计必须考量的。例如因特尔的奔腾4处理器,一平方厘米大小,产生了60W的热量。研究纳米传热的意义在于,纳米传热研究的开展可以为设计新型的电子器件提供重要的参考,同时对于基础的纳米材料输运特性的了解也将推进物理学的发展。

历史背景

编辑
1963年的诺贝尔物理学奖得主,理查德·费曼在1959年做了一个题为《在底层有广大的空间》的前瞻性演讲。
理查德 费曼 理查德 费曼  
在演讲中,他描述了很多伟大的设想,诸如:将世界上所有的书都储藏在灰尘大小的装置中;可以进入人身体的微尺度医疗机器人;微型电脑;重新排列原子 等等。在当时,他的演讲被认为是相当激进的,从2013年来看,他所有的设想都是有物理基础,并在今天逐步地在实现。这些都归功于微纳尺度科技的迅速发展。

传热理论

 

声子热传

在经典传热的理论框架下,传热有三种形式:热传导,热对流以及热辐射。纳米传热领域的研究集中在非金属材料中,热量在纳米尺度的热传导。在非金属材料中,热量是靠声子(phonon),即原子的振动,来传输的 。声子热传的复杂性在于,它有着极广的频率分布和差异极大的自由程。对于尺寸大的宏观尺度的物质,在室温条件下,热量主要是靠自由程在1-100 nm的声子输运的。 纳米传热的诸多研究对象里,纳米结构的大小通常和声子的自由程在同一个范围内,对于特别小的纳米线,纳米结构的大小会和声子的波长在同一个尺度内。由此,大尺度下的很多通用的理解就不再适用于纳米尺度。更为重要的是,在大尺度下有着严格定义的概念,诸如温
声子 声子
度,在微尺度的条件下如何定义?纳米系统中,由于尺寸小,各个纳米结构之间有着无数的接触界面,所以,材料之间的接触热阻也对高热导率的纳米材料在现实中的应用提出了挑战。
 

傅立叶定律

傅立叶定律是传热学中的基本定律,其表述形式如下:
Q是热流密度,k是热导率,
是温度梯度。
傅里叶定律的文字表述:在导热现象中,单位时间内通过给定截面的热量,正比例于垂直于该界面方向上的温度变化率和截面面积,而热量传递的方向则与温度升高的方向相反。需要指出的是,傅立叶定律在纳米尺度下,仍然适用,并且仍然是计算纳米线,纳米带热导率的最基本公式。
 

研究手段

纳米传热的研究对象也在随着新材料的不断合成而发展。21世纪以前,纳米传热研究更多地集中于分子动力学,Boltzman输运方程进行数值计算和模拟。进入新世纪以来,有诸多实验手段对纳米材料的热性质进行
纳米线在Micro-Heater测量装置上 纳米线在Micro-Heater测量装置上
研究。比如 UIUC Dr.Cahill的3-omega方法,UC-Austin 教授 Dr.Shi Li,Vanderbilt教授 Prof.Deyu Li在伯克利期间提出的 Micro-Heater 测量手段以及Iowa State U的 Xinwei Wang教授提出的 Transient Electro-Thermal(TET) 技术 。