热传导及其相关交叉领域研究
从燧人氏钻木取火开始, 人类文明的发展就和“热能”息息相关, 对热现象的认识贯穿整个人类社会发展的历程. 全球约 60%的能源都以废热的形式白白浪费. 热物理的进展对于我国最近强调的 “碳达峰、碳中和”至关重要. 我国力争于 2030年前二氧化碳排放达到峰值, 2060年前实现碳中和.而在利用的和废弃的能源中, 占比最大的都是热能. 关于热能的研究涉及材料、电子器件、生物、能源等诸多学科, 纳米工程的引入为热物理的进展注入了新的活力. 微纳米电子器件、电池中的过热问题会直接影响其性能和使用寿命, 成为 5G、量子计算、芯片、电动汽车等国家战略技术领域目前的研究热点. 人类对于纳米尺度和跨尺度中热物理的认知还是远远不够的. 因此, 物理、工程、材料、电子等多学科的交叉研究将在上述新兴领域大有用武之地.
鉴于热传导问题研究的挑战性与紧迫性, 受编辑部委托特组织本专题, 报道热传导领域最新进展和前沿态势. 陈亮、冯芒老师综述了基于离子阱中离子晶体的热传导的研究进展, 包括一维、二维和三维模型中温度分布和稳态热流的计算方法, 还讨论了无序度对离子晶体热导性的影响; 鲍华老师回顾了金属导热研究的历史, 并对最近十几年来金属导热的研究进行了总结, 特别是对基于第一原理电子-声子耦合模式分析的金属导热机理的研究进行了综述; 唐桂华老师基于宏观热流调控的思想, 提出了非封闭式热斗篷, 并用于高超声速飞行器头锥热防护. 希望本专题对读者了解此前沿领域有所帮助, 为热传导及其相关交叉领域领域的学术交流做一点贡献.
2024, 73 (3): 037201.
doi: 10.7498/aps.73.20231151
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金属是人类使用最广泛的材料之一. 相对于对金属力学性能的研究, 金属导热性能的相关研究较为匮乏. 对金属导热机制的理解往往还依赖于一百多年前建立的威德曼-弗朗兹定律. 金属导热和电子输运有密切联系, 同时又与晶格振动有关. 深入理解金属导热机制, 不但对材料应用意义重大, 而且有利于提高对导热基本理论的认知. 本文回顾了金属导热研究的历史, 并对最近十几年来金属导热的研究进行了总结, 特别是对基于第一原理电子-声子耦合模式分析的金属导热机理的研究进行了综述. 此外, 本文也对金属导热理论的未来发展方向进行了探讨.
2024, 73 (3): 033701.
doi: 10.7498/aps.73.20231719
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热传导现象是物理学中最重要的研究课题之一, 特别是近年来, 随着对单分子器件研究的不断深入, 人们越来越关注低维(一维和二维)微观系统的热传导问题. 离子阱中的离子晶体处于真空环境中, 没有与外部环境进行能量交换, 其晶体结构和温度可以通过电场和光场精确操控, 为研究低维晶体在经典或量子状态下的热传导提供了理想的实验平台. 本文综述了近年来离子晶体中热传导的理论研究, 包括一维、二维和三维模型中温度分布和稳态热流的计算方法, 以及在不同维度离子晶体构型下热流与温度分布的特性. 此外, 还讨论了无序度对离子晶体热导性的影响.
2024, 73 (3): 034401.
doi: 10.7498/aps.73.20231262
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高超声速飞行器在飞行过程中产生大量气动热, 高效的热防护技术对保证其正常工作具有重要意义. 本文基于热超材料调控热流传播路径思想, 针对高超声速飞行器头锥, 采用坐标变换法设计非封闭式点变换热斗篷及简化近似的多层结构. COMSOL数值模拟研究表明, 两种结构均有效实现导热和辐射热流的热绕流, 使部分热量沿头锥表面传播, 头锥前端温度显著降低, 机体升温速率减缓. 但其热防护性能的提升要求材料固相和辐射热导率低于原隔热材料. 进一步设计了非封闭式域变换热斗篷, 材料固相和辐射热导率均可高于原隔热材料. 模拟结果表明, 热绕流显著提升了域变换热斗篷的热防护能力, 相比于纯隔热材料, 头锥前端温度降低达100 K, 机体降温达10 K, 展现出重要的热防护应用潜力.
2025, 74 (17): 174702.
doi: 10.7498/aps.74.20250694
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基于Boltzmann输运方程的数值模拟已成为研究多尺度粒子输运问题的一个有效方法, 但是该方程的非线性、多尺度、高维度等特征对数值方法的稳定性、相容性、计算效率/精度、渐近保持性质提出了巨大挑战. 近些年发展了诸多适用于任意克努森数的多尺度动理学方法, 离散统一气体动理学格式便是其中之一. 不同于传统直接数值插值格式, 离散统一气体动理学格式通过动理学方程在时间和位置空间上的特征解重构网格界面处的分布函数, 从而在一个数值时间步长尺度上耦合、累积和计算粒子输运和碰撞效应. 基于将物理方程演化信息融入到数值方法构造过程中的思想, 该方法的网格尺寸和时间步长不再受限于粒子平均自由程和弛豫时间, 能够自适应地高效模拟从弹道到扩散极限的多尺度粒子输运问题. 该方法基于有限体积法框架, 已经成功应用于微纳尺度流动传热、高超声速飞行器、固体材料导热导电、辐射、等离子体和湍流等领域. 本文主要针对该方法在多尺度热传导领域的发展进行综述及展望.
2025, 74 (17): 178801.
doi: 10.7498/aps.74.20250503
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近年来, 随着人类对可持续能源技术需求的不断增长, 离子热电池作为实现热能与电能直接转换的关键技术, 在低品位热能回收与利用领域日益受到关注. 在关键性能参数中, 有效热导率(κeff)对维持热电池内部温度梯度和提高热电池整体能量转换效率具有重要的作用. 然而, 与广泛研究的热功率(Stg)和电导率(σ)相比, κeff的系统性研究仍较薄弱. 本综述系统地总结了离子热电池中热导调控的最新进展, 重点分析电极材料、电解质组成及器件结构设计对热传导行为的影响机制. 结合典型的材料设计和结构工程策略, 探讨热传导在热电性能提升中的作用, 全面总结当前该领域的研究成果. 最后, 展望材料优化、界面工程与热导表征等未来研究方向, 旨在为高性能热电池的设计提供理论基础和技术支撑.
