清华大学曹炳阳老师——HEG小组2023年成果集锦

热管理博览会 2024年1月11日浏览：1285

课题组介绍

负责人

曹炳阳，清华大学航天航空学院教授，院长，国家杰青，国际先进材料学会Fellow，亚洲热科学联合会Founding Fellow，美国工程科学学会Fellow。曾获得教育部新世纪优秀人才支持计划、中国工程热物理学会吴仲华优秀青年学者奖、教育部自然科学一等奖、国际先进材料学会IAAM Medal、爱思唯尔高被引学者奖等荣誉。担任国防173重点项目首席科学家、国际传热大会常务理事会理事、国际传热传质中心科学理事会理事、亚洲热科学与工程联合会秘书长、中国航空教育学会常务理事、中国复合材料学会导热复合材料专业委员会副主任、中国工程热物理学会理事、中国工程热物理学会传热传质专业委员会委员、中国热管理产业技术创新战略联盟理事、中国航空学会燃烧与传热专业委员会委员、中国宇航学会空间能源专业委员会委员等学术职务。主要研究领域为微纳尺度传热、热功能材料及电子系统热管理，主持国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家重大科技专项等三十多项课题，迄今发表SCI学术论文190余篇，担任ES Energy & Environment主编，Journal of Physics: Condensed Matter、Materials、Scientific Reports等9个国际期刊编委。

研究团队

喻志强：主要研究方向为微通道散热器中的流体和传热特性及其优化。

张旭东：主要研究方向为液态金属传热、先进电子冷却、电磁流体动力学和智能热管理技术。

李书楠：主要研究方向为信息处理装置中的传热和低维材料中的传热。

刘源斌：主要研究方向为是机器学习力场的开发和复杂材料的原子建模。

冉鑫：主要研究方向为多尺度热传递、界面传递、数值方法的发展、电子学和热电学的热管理。

罗丁：主要研究方向主要集中在热电技术及其应用。

研究领域

1：微/纳尺度的传热物理

2：微/纳结构的热物理性质-数值模拟

3：微/纳结构的热物理性质-实验测量

4：晶体管和IC的热管理和可靠性

5：热功能材料及热管理器件

6：芯片的液冷微通道冷却技术

成果集锦

题目：Three-sensor 2ω method with multi-directional layout: A general methodology for measuring thermal conductivity of solid materials

简介：各向异性热传递在传热理论研究和工程实践中都占有重要地位，但准确测量各向异性导热系数仍然是一个重大挑战。为了解决这个问题，该文提出了三传感器2ω方法，该方法能够精确测量各向同性或固体材料各向异性的导热性。为了验证其准确性和可靠性，采用Si、GaN、AlN等四种典型单晶半导体和β-Ga2O3，测量结果与文献一致。该方法将提供一个全面和通用的解决方案的热导率测量固体材料。

题目：Performance investigation and design optimization of a battery thermal management system with thermoelectric coolers and phase change materials

介绍：为了保证电池的温度工作环境，该工作开发了一种新型的电池热管理系统(BTMS)集成了热电冷却器(TEC)和相变材料(PCMs)，其中采用翅片框架来加强传热。通过建立一个瞬态热电流体采用多物理场数值模型，对两种情况下BTMS的热性能进行了深入研究。本文的研究进展有助于对电池热管理提供的新见解和思路。

题目：Numerical investigation of a battery thermal management system integrated with vapor chamber and thermoelectric refrigeration

介绍：高效的电池热管理系统是保证电池工作温度环境的关键。本文提出了一种新型的电池热管理系统为了改善电池的热性能，提出了蒸汽室和热电冷却器。结果表明，采用热电冷却器和热电冷却器蒸汽室可以大大降低电池的最高温度和温差。本研究介绍了高效电池热管理的新视角，提供了详细的深入了解热电冷却在这方面的应用。

题目：Observation of ballistic-diffusive thermal transport in GaN transistors using thermoreflectance thermal imaging

介绍：为了开发有效的氮化镓(GaN)晶体管的热管理策略，必须准确地预测器件结温。由于器件中产生热量的宽度与氮化镓的声子平均自由程(MFPs)相当，因此存在声子弹道输运，并且可以显著影响热传递端口过程，这就需要深入了解氮化镓晶体管中声子弹道效应的影响。结果表明，随着热源尺寸的减小，与声子MFP相当的热源尺寸的弹道效应显著增强，从而导致更高的热点温度。结果强调了多尺度模拟和高分辨率实验对精确预测器件结温的必要性。

题目：Million-scale data integrated deep neural network for phonon properties of heuslers spanning the periodic table. npj Computational Materials

介绍：预测晶体声子特性的现有机器学习潜力通常局限于材料到材料的基础上，主要是由于模型复杂性与原子种类数量的指数缩放。我们利用开发的元素空间密度神经网络力场解决了这一瓶颈。通过对元素周期表中55个元素的11,866个全、半和四元Heusler结构的完整声子性质的预测，证明了我们的element - sdnnff方法的有效性和精度。

题目：New insights into the heat capacity enhancement of nano-SiO2 doped alkali metal chloride molten salt for thermal energy storage: A molecular dynamics study

介绍：熔盐及其基纳米流体是聚光太阳能发电系统中重要的传热和储热介质。为了提高CSP电厂的整体效率，尽可能提高熔盐比热容是很重要的。在熔盐中掺入纳米材料，提高熔盐的比热容；然而，纳米颗粒在熔盐中掺杂提高比热容的机理尚不清楚。在这项工作中，首先推导了碱金属氯化物熔盐(KCl, NaCl, LiCl)的参数，并对其进行了验证。通过分子动力学(MD)模拟研究了纯熔盐的比热容、粘度、自扩散系数以及含SiO2纳米颗粒的熔盐基纳米流体的比热容。本研究结果为进一步研究更高效的熔盐纳米复合材料提供了重要的基础。

题目：Molecular dynamics study on the kinematic viscosity, density and structure of fuel blends containing n-decane and biofuel compound of ethyl decanoate or ethyl dodecanoate

介绍：生物航空燃料是由航空煤油和生物燃料混合而成的一种清洁的可再生能源，近年来受到了广泛的关注。然而，对含脂肪酸酯生物航空燃料热物理性能的数值研究仍然有限。本文采用分子动力学(MD)方法研究了正癸烷燃料与癸酸乙酯或十二癸酸乙酯生物燃料混合物的运动粘度和密度，并与UNFACC-VISCO(UV)理论模型计算的粘度和密度进行了比较。与COMPASS模型和UV模型相比，应用PCFF力场(FF)的MD结果可以很好地再现燃料混合物的实验数据。

题目：Efficient optimization of parallel micro-channel heat sinks based on flow resistance network model

介绍：电子冷却是影响电子技术发展的关键问题。并联微通道散热器(PMCHS)广泛应用于电子器件的冷却。然而，现有的优化方法无法有效地设计三维液冷PMCHSs，阻碍了高功率和体积缩小电子产品的热管理。本文采用流动阻力网络(FRN)模型对三维液冷PMCHSs进行结构优化。基于FRN模型的PMCHSs结构优化方法避免了现有优化方法中系统参数的多次迭代，显示了其在电子器件高效热管理方面的潜力。

题目：A comprehensive hybrid transient CFD-thermal resistance model for automobile thermoelectric generators

介绍：本文提出了一种综合的混合瞬态CFD -热阻模型来预测汽车热电发电机(ATEG)系统的动力学行为。该模型考虑了温度依赖性、热电模块的拓扑连接和动态特性，具有精度高、计算时间短的优点。利用瞬态排气热作为热源输入，确定并彻底检查了ATEG系统的动态行为。实验验证了模型的正确性，输出电压和出口温度的平均偏差分别为7.70%和1.12%。该模型可方便地评估不同拓扑连接下的ATEG系统的动态行为，为评估ATEG系统的动态行为提供了一种新的工具。

题目：Dynamic behaviour of automobile thermoelectric waste heat recovery under different driving cycles

介绍：不同类型的车辆经常在不同的行驶循环中运行，从而导致汽车热电发电机的动态行为不同。采用CFD-TE混合瞬态模型，对简化后的汽车热电发电机在HWFET、NEDC、WLTP和CLTC等不同工况下的动态性能进行了评价，以指导汽车热电余热回收的应用。通过对稳态和动态结果的比较，发现稳态模型高估了输出功率，但可能低于对转换效率的估计。汽车热电发电机更适合于在城市和郊区道路上行驶的乘用车等变速频繁的车辆，以增强动力输出性能。

题目：Realizing ultrahigh ZT value and efficiency of the Bi2Te3 thermoelectric module by periodic heating

介绍：热电发电被认为是一种很有前途的废热发电技术。本研究旨在解决热电模块转换效率低的问题，并引入一种新型周期加热方法来提高其性能。引入了时间平均ZTta值和有效转换效率两个新的指标来评价热电模块的动态性能。研究采用n型Bi2Te3-xSex和p型BixSb2-xTe3材料的Bi2Tte3基热电模块在设计的瞬态实验装置上进行实验。本工作为提高热电模块输出性能提供了一种新的周期性加热方法，可促进热发电技术的更广泛应用。

题目：Speed limits to information erasure considering synchronization between heat transport and work cost

介绍：随着信息技术的飞速发展，信息处理系统中的热传递问题引起了人们极大的关注，但它们的同步问题迄今尚未得到研究。我们研究了一维维傅里叶热传输与非准静态信息擦除的功成本同步的情况。在工程上，由稳态温度分布施加的速度限制可以理解为伴随温度稳定的性能限制，它定量地揭示了温度稳定的成本。

题目：Topology optimization for near-junction thermal spreading of electronics in ballistic-diffusive regime

介绍：电子设备中的热会导致过热并降低性能。提高散热能力是降低器件温度提高可靠性的关键。然而，随着器件的缩小，声子弹道效应会增加热阻，使传统的优化方法不那么有效。本文提出了一种拓扑优化方法，该方法将声子玻尔兹曼输运方程与固体各向同性材料结合起来对热扩散问题中的高导热材料分布进行优化。结果表明收缩 -膨胀结构能有效降低热阻。这项工作加深了对热扩散的理解，有助于微电子芯片的热优化。

题目：Mode-resolved phonon transmittance using lattice dynamics: Robust algorithm and statistical characteristics

介绍：晶格动力学(LD)能够计算声子通过界面的模式分辨透射率，这对于理解和控制热边界电导(TBC)至关重要。然而，由于缺乏节能约束，原始的LD方法可能产生超过100%的非物理透射电阻率。在这里，我们提出了一种鲁棒的LD算法，该算法利用线性代数变换和投影梯度下降迭代来确保能量守恒。这项工作提供了对界面模式分辨声子透过率的全面认识，为进一步研究TBC的机制及其与原子结构的关系铺平了道路。

题目：Hybrid Monte Carlo-diffusion studies of modeling self-heating in ballistic-diffusive regime for GaN HEMTs

介绍：准确评估自热对电子器件的热管理具有重要意义，特别是在全面考虑跨尺度导热过程的情况下。现有的模拟方法要么基于对流傅立叶定律，要么局限于小系统尺寸，难以有效处理非连续热输运问题。本文采用混合声子蒙特卡罗扩散法预测了弹道扩散状态下的器件温度。这项工作为电子设备中跨尺度传热的快速和广泛的热模拟开辟了机会。

题目：Bias dependence of non-Fourier heat spreading in GaN HEMTs

介绍：本文采用计算机辅助设计(TCAD)和声子蒙特卡罗(MC)模拟相结合的方法，研究了氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(hemt)的自加热问题。仿真结果表明，通道中偏置相关的热生成会同时对热扩散过程和声子弹道效应产生显著影响。在双热源模型的基础上，我们提出了一个考虑偏置相关声子输运的双导热模型来预测HEMT中器件结温。该模型易于与基于有限元法的热分析相结合，无需耗时的多尺度电热模拟。

题目：Near-junction phonon thermal spreading in GaN HEMTs: A comparative study of simulation techniques by full-band phonon Monte Carlo method

介绍：精确的热模拟对于GaN HEMTs的近结热管理和电热协同设计至关重要。虽然已经采用了各种方法来模拟GaN中的声子热传输端口，但尚未对其性能和可靠性进行全面评估。在这项工作中，基于第一性原理的稳态全波段声子跟踪蒙特卡罗(MC)模拟研究了GaN hemt的热扩散阻力。全频带MC的结果作为一个标准，对三种广泛使用的模拟GaN中近结声子输运的方法的适用性、准确性和计算效率进行了彻底的检验。比较突出直接将第一性原理计算的声子性质纳入器件热模拟的重要性，并且本文可以更清楚地了解GaN中的近结热输运，并且可以用于GaN基器件的热模拟。

题目：Three-sensor 3ω-2ω method for the simultaneous measurement of thermal conductivities and thermal boundary resistance in film-on-substrate heterostructures

介绍：由衬底和外延膜组成的固体异质结构广泛应用于先进技术中，其热物理性质从根本上决定了相应器件的性能、效率和可靠性。然而，真正适用于固体异质结构热物性测量的实验方法仍然缺乏。为此，提出了一种3ω-2ω的方法，该方法可以在不需要任何参考样品的情况下同时测量单一固体异质结构中薄膜和衬底的导热系数以及薄膜-衬底热边界电阻(TBR)，具有广泛的适用性，适用于薄膜厚度为100 nm至10 μm的各种异质结构。为了验证这一方法，测量了两种典型的宽带隙半导体异质结，即GaN on SiC 和GaN on Si， GaN薄膜为~ 2.3 μm。推导了GaN薄膜的导热系数、SiC和Si衬底的导热系数以及GaN/衬底的总热阻比，结果与文献一致。该方法将为各种固体异质结构的热物性测量提供一个全面的解决方案。

题目：Pulsed thermoreflectance imaging for thermophysical properties measurement of GaN epitaxial heterostructures

介绍：由衬底和外延膜组成的多层异质结构广泛应用于先进的电子器件中。然而，热瓶颈制约了它们的性能和可靠性，迫切需要有效的方法来全面测量异质结构的热物理性质。本文提出了一种将热反射热成像的瞬态温度成像与瞬态脉冲激励相结合的脉冲热反射成像(PTI)方法。通过三次瞬态测试，可以同时测量异质结构样品的六种热物理性质，包括薄膜导热系数和比热容、衬底导热系数和比热容、薄膜-衬底热边界电阻和绝缘层等效导热系数。为了验证该方法的准确性和可靠性，我们对GaN-on-SiC异质结构样品进行了测量，并获得了与先前报道的代表性文献数据一致的热物理性质。该方法灵敏度高，对GaN外延异质结构的综合热物性表征具有良好的效率和可靠性。

题目：Thermal interface materials with high thermal conductivity and low Young’s modulus using a solid–liquid metal codoping strategy

介绍：热界面材料(TIMs)作为典型的热功能材料，对其具有高导热系数和低杨氏模量的要求很高。然而，热性能和力学性能的自然同步变化严重阻碍了高性能TIM的发展。为了解决这一难题，本研究提出了固体填料和液态金属填料在聚合物衬底中共掺杂的策略。以55%镓基液态金属和15%铜颗粒为填料的典型TIM的导热系数为3.94 W/(m·K)，杨氏模量为699 kPa，与液态金属和固体填料掺杂的TIMs相比，具有最大的热力学性能系数。固体填料和液态金属填料的协同效应为解决复合材料力学性能和热性能的经典权衡问题提供了广阔的空间。

题目：Unraveling thermal transport correlated with atomistic structures in amorphous gallium oxide via machine learning combined with experiments

介绍：非晶材料的热输运特性对其在能源和电子器件中的新兴应用至关重要。然而，理解和控制无序材料中的热输运仍然是一个突出的挑战，由于计算技术的内在局限性和缺乏复杂原子结构的物理直观描述符。本文展示了如何结合基于机器学习的模型和实验观察可以帮助准确地描述无序材料的现实结构、热输运性质和结构-性质图，这是通过氧化镓的实际应用来说明的。这项工作可能为未来加速探索无序功能材料中的热输运性质和机制提供启示。