纳米工程和热物理专题报道

Nanotechnologyandthermalphysics

热能，作为我们使用能源和被废弃掉能源中占比最大的部分，对于“双碳目标”的实现有重要意义。在诸如量子技术、芯片、超导、5G、新能源等国家重要领域的发展中，“热”问题都是不可忽视的重要因素。关于热相关的研究涉及物理、材料、电子、化学等学科，近年来纳米技术的发展也为热物理的研究提供了更多的手段和角度。但是，目前我们对于热物理，尤其是纳米工程的热物理的认识还不足，物理学报特组织《纳米工程和热物理》专题，从仿生辐射制冷、导热智能材料及应用、纳米相变材料与储热、稀释制冷机、固态锂电池热管理、第三代半导体和芯片热管理、声子弱耦合与热输运和热调控，下面对专题文章进行介绍。

一、稀释制冷机及其中的热交换问题

作者：付柏山,廖奕,周俊

doi:10./aps.70.

稀释制冷机原理图，箭头方向表示3He流动方向

在低温物理和量子信息科学等学科的研究中,持续保持稳定的mK级低温是至关重要的。稀释制冷机是用来获得极低温的制冷装置，它利用了超流态4He与其同位素3He的混合溶液在超低温下的相分离效应。热交换器的性能是决定连续循环工作制冷机性能的关键因素.在极低温下，氦与金属之间存在巨大的界面热阻(即卡皮查热阻),利用多孔的烧结金属颗粒来提高接触面积，可以有效地解决热交换问题.因此，研究极低温下金属颗粒与液氦之间的热交换，并以此为指导研制高性能的银粉烧结换热器具有重要的应用价值。

二、第三代半导体材料及器件中的热科学和工程问题

作者：程哲

doi:10./aps.70.

基于氮化镓的高电子迁移率晶体管的示意图和节点附近的电场分布。热点位于栅极附近

简单回顾了半导体材料的发展历史，并以基于氮化镓的高电子迁移率晶体管为例,介绍了第三代半导体器件的产热机制和热管理策略.以β相氧化镓为例，简单讨论了新兴的超宽禁带半导体的发展和热管理挑战。然后重点讨论了一些界面键合技术用于半导体散热的进展,同时指出这些器件中大量存在的界面散热的工程难题背后的科学问题:界面传热的物理理解。在回顾了之前界面传热的理论发展后,指出了理解界面传热当前遇到的一些困难、机遇和方向。

三、热智能材料及其在空间热控中的应用

作者：曹炳阳,张梓彤

doi:10./aps.71.

不同热智能材料响应机理示意图　(a)纳米颗粒悬浮液;(b)相变材料;(c)层状材料;(d)软物质材料;(e)受电磁场调控的材料

空间技术等高新领域对智能高效的热控制技术的需求日益提高，而实现智能热控制技术的关键是要实现材料的热物性智能调控，于是热导率可响应外场变化的热智能材料成为了研究的焦点.本文梳理了热智能材料的最新研究进展，从调控机理、调控幅度、应用价值等角度出发，介绍了纳米颗粒悬浮液、相变材料、软物质材料、受电化学调控的层状材料和受特定外场调控的材料等不同种类热智能材料的研究现状,以及以热智能材料为基础的智能热控部件在空间技术等领域的应用，最后，本文对热智能材料未来的研究方向进行了探讨。

四、纳米组装相变储热材料的热设计前沿

作者：冯妍卉,冯黛丽,褚福强,邱琳,孙方远,林林,张欣欣

doi:10./aps.71.

纳米孔组装相变材料机理探究工作

本文简单回顾了固液相变储热材料发展历程,重点针对纳米多孔定形相变材料，从材料层面的研发设计，到热物理层面的微观限域空间负载、结晶、导热机理,乃至围绕异相/异质匹配提出的显著提升相变蓄传热性能的强化手段进行了总结.同时,指出了目前受制于单一尺度孔径无法兼顾储释热的密度和速率的现状，并探讨在此基础上借助新型多级尺度孔径的骨架材料以突破瓶颈的可能。最后,系统梳理了与之伴随的一系列亟待解决的科学问题、机遇和挑战。

五、导热高分子聚合物研究进展

作者：刘裕芮,许艳菲

doi:10./aps.71.

微纳尺度及原子尺度下的高分子结构，高分子链端、无定型链、链缠结、杂质等缺陷都可能成为热载流子散射点，导致高分子聚合物高分子的热导率比较低

传统高分子聚合物是良好的电绝缘体和热绝缘体。高分子聚合物具备质量轻、耐腐蚀、可加工、可穿戴、电绝缘、低成本等优异特性。高分子聚合物被广泛应用于各种器件。由于高分子材料的热导率比较低(0.1—0.5W·m–1·K–1)，热管理(散热)面临严峻的挑战。理论及实验工作表明，先进高分子材料可以具有比传统传热材料(金属和陶瓷)更高热导率。Fermi-Pasta-Ulam(FPU)理论结果发现低维度原子链具有非常高的热导率.广泛使用的聚乙烯热绝缘体可以被转变为热导体：拉伸聚乙烯纳米纤维的热导率大约为W·m–1·K–1，拉伸的聚乙烯薄膜热导率大约为62W·m–1·K–1。首先，本文通过理论和实验结果总结导热高分子材料的传热机理研究进展,并讨论了导热高分子聚合物的制备策略；然后，讨论了在传热机制及宏量制备方面，高分子聚合物研究领域所面临的新挑战；最后，对导热高分子的热管理应用前景进行了展望。例如，导热高分子聚合物在耐腐蚀散热片、低成本太阳能热水收集器、可穿戴智能冷却服饰、电子绝缘同时高导热的电子封装材料等领域具有不可替代的热管理应用前景。

六、稀释制冷机及其中的热交换问题

作者：阳润恒,安顺,尚文,邓涛

doi:10./aps.71.

辐射制冷原理及自然界中对仿生辐射制冷具有启发性的生物和材料(a)发生在地球表面的辐射热流示意图。Psolar，地球表面对太阳辐射的吸收;Prad，地球表面发射的热辐射;Patm，地球表面对大气热辐射的吸收。(b)AM1.5太阳光谱和典型的大气透明窗口。(c)?(h)典型的具有辐射制冷特性的生物体和生物材料，依次为具有不同近红外发射特性的鸟类(c)，彗星蛾蚕茧(d)，滴燕灰蝶及其红外图像(e)，撒哈拉沙漠银蚁(f)，人类皮肤褶皱及其结构示意图(g)，木材纤维(h)

辐射制冷是一种通过光谱调控来实现降温的新型制冷技术，相比于传统的主动制冷技术,如吸收式制冷、压缩制冷等,具有独特的优势，在环境保护和能源利用方面具有重要意义.本文首先从辐射制冷的基本原理出发,介绍了自然界中生物所具有的辐射降温特性。.不同生物通过其材料、微观结构、行为等实现辐射制冷调控，为人类探究新型辐射制冷材料和器件带来了启发。本文也归纳了生物的辐射制冷机制，总结了生物结构的优化方法，并介绍了当前仿生辐射制冷的研究进展，对仿生辐射制冷的研究方向、应用前景和材料制备方法进行了展望。高功率、智能化的辐射制冷材料和器件是未来仿生辐射制冷的重要发展方向，先进微纳加工技术的融入将使仿生辐射制冷在未来具有更广阔的市场和应用。

七、全固态锂离子电池内部热输运研究前沿

作者：吴成伟,谢国锋,周五星

doi:10./aps.71.

全固态锂离子电池结构以及充放电过程锂离子传输示意图

本文简要阐述了全固态锂离子电池的特点及其内部热输运研究的意义。介绍并总结了国内外与正极材料、负极材料、固态电解质,以及电极与电解质界面热输运性质相关的实验和理论工作。针对脱嵌锂过程对电极材料热导率的影响机理尚不明确，非晶态转变对电极材料热输运研究的挑战，界面热输运模型与方法不足等问题，系统梳理了全固态锂离子电池内部热输运的重要前沿科学问题。

本文素材由物理学报杂志

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