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研究所在金属/相变材料界面热导研究方面取得重要进展
发稿时间:2021-03-15         作者:郑兴华 杨啸          来源:储能研发中心     【字号:

  近日,储能研发中心联合中国石油大学(华东)及大连理工大学,采用双波长飞秒激光时域热反射技术(TDTR)测量了不同金属与相变材料在固/液两个相态下的界面热导,结合分子动力学模拟,初步揭示了晶格震动与金属/相变材料界面适配性是影响界面热导的关键因素。相关工作在传热传质顶刊《International Journal of Heat and Mass Transfer》上发表 

  泡沫金属相变复合材料在储热()系统中起着至关重要的作用,不同泡沫金属与相变材料在不同相态下的界面热导是影响蓄热()系统蓄热()过程的重要因素之一。团队首先采用TDTR(图1)测定了三种金属(铜、铝、镍)与两种相变材料(石蜡、赤藻糖醇)分别在固/液相态时的界面热导。实验结果(图2)表明,相同条件下金属/石蜡的界面热导大于金属/赤藻糖醇,这是由于石蜡分子尺寸小于赤藻糖醇,使得石蜡和金属的润湿性更好。同时实验表明与固态相比,液态两种相变材料与各种金属的界面热导都更大。与固态相比,液态pcm与基体金属的相互作用更强,润湿性更好,这导致液态粘附层的ITCs受基体材料的影响更大。由于金属/ pcm的润湿性不同,对于同一种金属材料,相变前后金属/石蜡界面热导的变化比金属/赤藓醇界面热导的变化更大。另外无论是石蜡还是赤藻糖醇,无论是固相还是液相,相变材料的界面热导结果都保持了铜<<铝的相同趋势。

 1(a) TDTR系统原理图; (b) 金属/相变材料界面热导测量结构示意图

2不同金属/相变材料ITC变化图

  为了揭示上述现象机制,建立图3的分子动力学模型,模拟了不同金属与石蜡的界面热导以及xyz方向晶格振动对总热流的相对贡献(图4。模拟界面热导变化趋势与实验一致,晶格振动的贡献在z方向主导界面热传输的所有三个石蜡-金属界面,这与图5中只有z方向vdos随金属变化一致。 

3. //镍与石蜡界面结构及温度分布

4. (a)石蜡- cu/Ni/Al模型系统的ITCs; (b)石蜡/金属模型系统xyz方向晶格振动对总热流的相对贡献

  为了确定界面热导趋势的声子特异性机制,通过对原子速度自相关函数进行傅里叶变换,计算了石蜡-金属体系界面原子的声子振动态密度(VDOS),如图5所示。可以看出,三种系统在xy方向的VDOS基本相同,而在z方向的VDOS却有很大差异。石蜡与Ni之间的VDOS间隙小于石蜡与Cu之间的VDOS间隙,表明VDOS失配减少,这是增强界面热输运的重要机制。与石蜡- Ni相比,石蜡- Al之间的VDOS间隙更小,界面热输运最好,与图4(a)的分子动力学模拟结果及图2的实验结果一致。 

5. (a,b,c)石蜡- Cu (d,e,f)石蜡- Ni(g,h,i)石蜡-Al模型系统的归一化声子振动密度。VDOS方向计算:(a)(d)(g)x方向;(b)(e)(h)y方向;(c) (f) (i)z方向。颜色编码:黑色代表C,红色代表H,蓝色代表Cu, NiAl

  工作受到国家自然科学基金(51976215,51806031)、中科院国际合作重点项目(182211KYSB20170029)以及中央高校基本科研业务费专项资金(19CX02014A)的资助。 

 
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