課題組介紹
負責人
曹炳陽，清華大學航空航天學院教授、院長，國家傑出青年學者，國際先進材料學會會士，亞洲熱科學聯合會創始會士，美國工程科學學會會士。曾獲教育部新世紀優秀人才支援計畫、中國工程熱物理學會吳中華傑出青年學者獎、教育部自然科學獎一等獎、國際先進材料學會IAAM獎章、愛思唯爾高被引研究員獎。 歷任國防173重點工程首席科學家、國際傳熱大會常務理事、國際傳熱傳質中心科學理事會委員、亞洲熱科學與工程聯合會秘書長、中國航空教育學會常務理事、 中國複合材料學會導熱複合材料專業委員會副主任委員、中國工程熱物理學會理事、中國工程熱物理學會傳熱傳質專業委員會委員、中國熱管理產業技術創新戰略聯盟理事。中國航空學會燃燒傳熱專業委員會委員，航天E組委員主要研究領域為微納傳熱、熱功能材料、電子系統熱管理主持國家自然科學計畫、國家重點研發計畫、國家重大科技專項等專案30餘項，發表SCI學術論文190餘篇，擔任ES Energy & Environment主編，擔任Journal of Physics等9種國際期刊編委： 凝聚態物質、材料和科學報告。
研究團隊
俞志強：他的主要研究興趣是微通道散熱器中的流體和傳熱特性及其優化。 張旭東：他的研究興趣包括液態金屬傳熱、先進電子冷卻、電磁流體動力學和智慧型熱管理技術。 李淑楠：主要研究方向為資訊處理器件傳熱和低維材料傳熱。 劉元斌：他的主要研究興趣是機器學習力場的發展和複雜材料的原子建模。 冉欣：主要研究方向為多尺度傳熱、介面傳熱、數值方法開發以及電子和熱電學中的熱管理。 杆裝：主要研究方向為熱電技術及其應用。 
研究方向：
1：微觀尺度的傳熱物理學。
2：奈米結構的熱物理性質-數值模擬。
3：奈米結構的熱物理性質 - 實驗測量。
4：電晶體和IC的熱管理和可靠性。
5：熱功能材料及熱管理裝置。
6：晶元採用液冷微通道冷卻技術。
結果亮點
題目：多向布局的三感測器2方法：測量固體材料熱導率的通用方法介紹：各向異性傳熱在傳熱的理論和工程研究中都發揮著重要作用，但各向異性熱導率的精確測量仍是一大挑戰。 為了解決這一問題，提出了一種三感測器2方法，該方法可以精確測量各向同性或各向異性固體材料的熱導率。 為了驗證其準確性和可靠性，使用了Si、GaN、Aln和-Ga2O3四種典型的單晶半導體，測量結果與文獻一致。 該方法將為固體材料的熱導率測量提供全面且通用的解決方案。
主題：performance investigation and design optimization of a battery thermal management system with thermoelectric coolers and phase change materials
介紹：為了保證電池的溫度執行環境，開發了一種新型的電池熱管理系統（BTMS），該系統整合了熱電冷卻器（TEC）和相變材料（PCMS），其中使用翅片框架來增強傳熱。 通過建立瞬態熱電流體的多物理場數值模型，深入研究了BTMS在兩種情況下的熱效能。 本文的研究進展將有助於為電池熱管理提供新的見解和思路。
主題：numerical investigation of a battery thermal management system integrated with vapor chamber and thermoelectric refrigeration
介紹：高效的電池熱管理系統是保證電池工作溫度環境的關鍵。 該文提出了一種新型的電池熱管理系統，為了提高電池的熱效能，提出了一種蒸汽室和一種熱電冷卻器。 結果表明，採用熱電冷卻器和熱電冷卻器均熱板可以大大降低電池的最大溫差和溫差。 本研究為高效電池熱管理提供了新的視角，並詳細介紹了熱電冷卻在該領域的應用。
主題：observation of ballistic-diffusive thermal transport in gan transistors using thermoreflectance thermal imaging
介紹：為了開發有效的氮化鎵（GaN）電晶體熱管理策略，必須準確**器件結溫。 由於器件中產生的熱量寬度與GaN的聲子平均自由程（MFPS）相當，因此存在聲彈道傳輸，可以顯著影響傳熱埠過程，這需要對GaN電晶體中聲彈道效應的影響有深入的了解。 結果表明：隨著熱源尺寸的減小，與聲子MFP相當的熱源尺寸的彈道效應顯著增強，導致更高的熱點溫度。 結果強調了多尺度模擬和高解像度實驗對於精確器件結溫的必要性。
題目：跨越元素週期表的heuslers聲子特性的百萬尺度資料整合深度神經網路 npj computational materials
介紹：**晶體聲子特性的現有機器學習潛力通常僅限於材料到材料，這主要是由於模型複雜性與原子種類數量呈指數級增長。 我們利用開發的元素空間密度神經網路力場解決了這一瓶頸。 元素週期表中 55 種元素的 11,866 個完整、半銨化和四元化 Heusler 結構的完整聲子性質證明了我們的 Element-SDNNFF 方法的有效性和精確性。
題目：奈米SiO2摻雜鹼金屬氯化物熔鹽熱能增強熱能的新見解：分子動力學研究
介紹：熔鹽及其基礎奈米流體是聚光太陽能發電系統中重要的傳熱和儲熱介質。 為了提高光熱發電廠的整體效率，最大限度地提高熔鹽比熱容非常重要。 將奈米材料摻入熔鹽中，提高熔鹽的比熱容; 然而，奈米粒子在熔鹽中摻雜以增加比熱容的機理尚不清楚。 本工作首先推導並驗證了鹼金屬氯化熔鹽（KCL、NaCl、LiCl）的引數。 採用分子動力學（MD）模擬研究了純熔鹽的比熱容、黏度和自擴散係數以及含SiO2奈米顆粒的熔鹽基奈米流體的比熱容。 本研究結果為進一步研究更高效的熔鹽奈米複合材料提供了重要依據。
題目：含有正癸烷和癸酸乙酯或十二酸乙酯生物燃料化合物的燃料混合物的運動學粘度、密度和結構的分子動力學研究
介紹：生物航空燃料是一種清潔的可再生能源，是航空煤油和生物燃料的混合物，近年來受到了很多關注。 然而，關於含有脂肪酸酯的生物航空燃料的熱物理性質的數值研究仍然有限。 本文採用分子動力學（MD）方法研究了正癸烷燃料與癸酸乙酯或十二酸乙酯生物燃料混合物的運動黏度和密度，並與UNFACC-VISCO（UV）理論模型計算的黏度和密度進行了比較。 與Compass模型和UV模型相比，PCFF力場（FF）的MD結果可以從燃料混合物的實驗資料中得到很好的再現。
題目：基於流阻網路模型的併聯微通道散熱片高效優化介紹：電子冷卻是影響電子技術發展的關鍵問題。 並行微通道散熱器 （PMCHS） 廣泛用於冷卻電子裝置。 然而，現有的優化方法無法有效設計三維液冷PMCHSS，阻礙了大功率和小型電子器件的熱管理。 本文利用流動阻力網路（FRN）模型對三維液冷PMCHSS的結構進行了優化。 基於FRN模型的PMCHSS結構優化方法避免了現有優化方法中系統引數的多次迭代，在電子器件高效熱管理方面發揮了潛力。
題目：汽車熱電發電機綜合混合瞬態CFD-熱阻模型
介紹：該文提出了一種綜合混合瞬態CFD-熱阻模型，以改善汽車熱電發電機（ATEG）系統的動力學行為。 該模型兼顧了熱電模組的溫度依賴性、拓撲連線性和動態特性，具有精度高、計算時間短等優點。 使用瞬態廢熱作為熱源輸入，確定並徹底檢查了ATEG系統的動態行為。 實驗驗證了模型的正確性，輸出電壓和出口溫度的平均偏差分別為7%70% 和 112%。該模型可以很容易地評估ATEG系統在不同拓撲連線下的動態行為，並為評估ATEG系統的動態行為提供了新的工具。
題目：不同駕駛迴圈下汽車熱電餘熱回收的動態規律
介紹：不同型別的車輛往往在不同的行駛迴圈中執行，導致汽車熱電發電機的動態行為不同。 採用CFD-TE混合瞬態模型，對簡化汽車熱電發電機在不同工況下（如HWFET、NEDC、WLTP、CLTC）的動態效能進行評價，以指導汽車熱電餘熱的應用**。 通過對比穩態和動態結果，發現穩態模型高估了輸出功率，但可能低於對轉換效率的估計。 汽車熱電發電機更適合變速頻繁的車輛，如在城市和郊區道路上行駛的乘用車，以增強功率輸出效能。
題目：通過週期加熱實現Bi2Te3熱電模組的超高ZT值和效率
介紹：熱電發電被認為是一種很有前途的餘熱發電熱電聯產技術。 本研究旨在解決熱電模組轉換效率低的問題，並引入一種新的週期性加熱方法來提高其效能。 引入時間平均ztta值和有效轉換效率兩個新指標來評估熱電元件的動態效能。 本研究在設計的瞬態實驗器件上對基於Bi2TTE3的熱電模組進行了實驗，該模組採用N型Bi2Te3-Xsex和P型BixSB2-XTE3材料。 本工作為提高熱電模組的輸出效能提供了一種新的週期性加熱方法，可促進火力發電技術的廣泛應用。
題目：考慮熱傳輸與功成本同步的資訊擦除速度限制
介紹：隨著資訊科技的飛速發展，資訊處理系統中的傳熱問題引起了人們的極大關注，但其同步性至今尚未得到研究。 我們研究了一維傅利葉傳熱與非準靜態資訊擦除的功成本同步. 在工程中，穩態溫度分布施加的速度極限可以理解為伴隨溫度穩定而來的效能極限，這定量揭示了溫度穩定的成本。
主題：topology optimization for near-junction thermal spreading of electronics in ballistic-diffusive regime
介紹：電子裝置中的熱量會導致過熱並降低效能。 改善散熱是降低器件溫度和提高可靠性的關鍵。 然而，隨著器件的縮小，聲學彈道效應會增加熱阻，使傳統的優化方法效果降低。 本文提出了一種拓撲優化方法，將聲子玻爾茲曼輸運方程與固體各向同性材料相結合，以優化高導電材料在熱擴散問題中的分布。 結果表明，收縮膨脹結構能有效降低熱阻; 這項工作加深了對熱擴散的理解，為微電子晶元的熱優化做出了貢獻。
題目：基於晶格動力學的模態分辨聲子透射率：魯棒演算法和統計特性
介紹：晶格動力學（LD）能夠計算聲子通過介面的模式分辨透射率，這對於理解和控制熱邊界電導（TBC）至關重要。 然而，由於缺乏節能約束，原來的LD方法可能會產生100%以上的非物理傳輸電阻率。 在這裡，我們提出了一種魯棒的LD演算法，該演算法利用線性代數變換和投影梯度下降迭代來確保能量守恆。 本工作全面了解了介面模式解析的聲子透射率，為進一步研究TBC的機理及其與原子結構的關係鋪平了道路。
題目：Hybrid Monte Carlo-Diffusion Studies of Modeling Brickistic-Diffusive regime for Gan Hemts（甘氏熱）彈道擴散狀態自熱建模的混合蒙特卡洛擴散研究
介紹：自發熱的準確評估對於電子裝置的熱管理非常重要，尤其是在充分考慮跨尺度導熱過程的情況下。 現有的模擬方法要麼基於對流傅利葉定律，要麼侷限於較小的系統尺寸，難以有效處理不連續的傳熱問題。 本文採用混合聲子蒙特卡羅擴散法測定了器件在彈道擴散態下的溫度。 這項工作為電子裝置中跨尺度傳熱的快速和廣泛的熱模擬提供了機會。
題目：氮化鎵熱擴散中非傅利葉熱擴散的偏置依賴性
介紹：本文通過結合計算機輔助設計（TCAD）和聲子蒙特卡洛（MC）模擬，研究了氮化鎵（GaN）高電子遷移率電晶體（HEMTs）的自發熱問題。 **結果表明，通道中與偏置相關的熱產生會對熱擴散過程和聲彈道效應產生重大影響。 在雙熱源模型的基礎上，提出了一種考慮偏置相關聲子輸運到HEMT器件結溫的雙熱導率模型。 該模型易於與基於有限元方法的熱分析相結合，無需進行耗時的多尺度電熱模擬。
題目：甘鎵中近結聲子熱擴散：全波段聲子蒙特卡羅法模擬技術的比較研究
介紹：精確的熱模擬對於GaN Hemts的近結熱管理和電熱協同設計至關重要。 雖然已經採用了各種方法來模擬GAN中的聲子熱傳輸埠，但其效能和可靠性尚未得到充分評估。 本文採用基於第一性原理的穩態全波段聲子跟蹤蒙特卡洛（MC）模擬，研究了GaN HEMT的熱擴散電阻。 全波段MC結果作為充分檢驗3種廣泛使用的GaN中近結聲子輸運模擬方法的適用性、精度和計算效率的標準。 強調了將第一性原理計算的聲子性質直接納入器件熱模擬的重要性，該文可以更清楚地了解GaN中的近結熱輸運，並可用於GaN基器件的熱模擬。
題目：三感測器3-2同時測量基板上薄膜異質結構的熱導率和熱邊界電阻的方法
介紹：由襯底和外延膜組成的固體異質結構在先進技術中得到廣泛應用，其熱物理性質從根本上決定了相應器件的效能、效率和可靠性。 然而，目前仍缺乏真正適合測量固體異質結構熱物理性質的實驗方法。 為此，提出了一種3-2方法，該方法可以在沒有任何參考樣品的情況下同時測量單個固體異質結構中薄膜和襯底的熱導率和薄膜-襯底的熱邊界電阻（TBR），適用性廣，適用於膜厚為100 nm至10 m的各種異質結構。 為了驗證該方法，用矽基氮化鎵測量了兩種典型的寬頻隙半導體異質結，即矽基氮化鎵和矽基氮化鎵3 μm。推導了GaN薄膜的導熱係數、SiC和Si襯底的導熱係數以及GaN襯底的總熱阻比，結果與文獻一致。 該方法將為各種固體異質結構的熱物理性質的測量提供全面的解決方案。
題目：用於GaN外延異質結構熱物理性質測量的脈衝熱反射成像
介紹：由襯底和外延薄膜組成的多層異質結構廣泛應用於先進的電子器件中。 然而，熱瓶頸限制了其效能和可靠性，迫切需要有效的方法來全面測量異質結構的熱物理性質。 本文提出了一種脈衝熱反射成像（PTI）方法，該方法將瞬態溫度成像與熱反射熱成像的瞬態脈衝激發相結合。 通過三次瞬態測試，可以同時測量異質結構樣品的六種熱物理性質，包括薄膜的導熱係數和比熱容、襯底的導熱係數和比熱容、薄膜襯底的熱邊界電阻以及絕緣層的等效熱導率。 為了驗證該方法的準確性和可靠性，我們測量了SiC基氮化鎵的異質結構樣品，並獲得了與先前報道的代表性文獻資料一致的熱物理性質。 該方法對GaN外延異質結構的綜合熱物理表徵具有較高的靈敏度、良好的效率和可靠性。
題目：基於固體液態金屬共摻雜策略的高導熱係數和低楊氏模量的熱介面材料
介紹：熱介面材料（TIMS）作為一種典型的熱功能材料，對高導熱係數和低楊氏模量有很高的要求。 然而，熱效能和力學效能的自然同時變化嚴重阻礙了高效能TIM的發展。 為了解決這一問題，提出了一種固體和液體金屬填料在聚合物基體上的共摻雜策略。 填充有 55% 鎵基液態金屬和 15% 銅顆粒的典型 TIM 的導熱係數為 394 W （m·k），楊氏模量為 699 kPa，與摻雜液態金屬和固體填料的 Tims 相比，具有最大的熱力學效能係數。 固體填料和液態金屬填料的協同作用為解決複合材料機械效能和熱效能之間的經典權衡提供了廣闊的空間。
題目：通過機器學習結合實驗，將非晶態氧化鎵中的熱輸運與原子結構相關聯
介紹：非晶材料的熱傳輸特性對於其在能源和電子領域的新興應用至關重要。 然而，由於計算技術的固有侷限性以及複雜原子結構缺乏物理直觀的描述符，理解和控制無序材料中的熱傳遞仍然是乙個突出的挑戰。 本文展示了基於機器學習的模型和實驗觀察的結合如何幫助準確描述無序材料的真實結構、熱傳輸特性和構特性圖，並通過氧化鎵的實際應用進行說明。 本研究可為未來加速探索無序功能材料傳熱的性質和機理提供啟示。
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