前沿 |纳米材料的热物性测量和建模的全面梳理与总结

近日，来自北京科技大学的邱琳副教授（第一作者），冯妍卉教授（通讯作者）和西安交通大学的Omid Mahian教授（通讯作者）等人分别从固态及胶态两方面对纳米材料的热物性测量和建模的最新研究进展进行了全面梳理与总结，论文主要介绍了纳米材料的分类，优、缺点，潜在的应用前景，热物性的测量方法，物理模型的不断发展的过程以及影响纳米材料热物性的主要因素。最后，提出了在目前研究阶段存在的主要差距和挑战以及对未来研究的展望。相关成果发表在近期的Physics Reports上。

论文的第一部分主要介绍了固体纳米材料热物性能的最新研究进展，包括热导率、比热容和热扩散系数的理论和实验研究，其中重点介绍了理论模型的发展过程，目前存在且被广泛应用的测量技术以及影响热物性的主要因素分析。首先，热导率测量技术主要包括T型法，3ω法，T-3ω法，热桥法，激光拉曼光谱法以及时域热反射法（见图1），而影响热导率的主要因素是晶粒尺寸，晶界，界面，掺杂及缺陷等（见图2）。

图1：纳米材料热导率的测量技术示意图。

图2：纳米材料热导率的影响因素示意图。

对于比热容的研究，理论上分别介绍了杜龙-珀蒂定律（Dulong-Petit Law），Einstein模型和Debye模型的适用条件及基本原理（见图3），而测量技术包括3ω法及交流热量法，影响其性能的因素主要为晶界，温度等参数。激光闪光法，激光拉曼闪光法，红外热像仪，瞬态电热发，光热阻法等主要应用于纳米材料热扩散系数的测量（见图4）。

图3：纳米材料比热容的理论模型。

图4：纳米材料热扩散系数的测量技术示意图。

文章第二部分主要介绍了胶态的纳米流体热物性的最新研究进展，包括各种数学模型（从经典到先进模型）的发展过程、实验测量技术、理论与实验以及影响纳米流体热导率、比热容、密度、动力粘度和传热速率的主要因素。其中纳米流体热导率的经典模型包括适用于球形纳米颗粒的Maxwell模型，考虑纳米颗粒形状的Hamilton模型，适用于高体积分数纳米颗粒的Bruggeman模型，考虑了纳米层的Yu-Choi模型以及考虑了布朗运动的Xuan模型和Koo-Kleinstrener模型等。而纳米流体热导率的测量技术主要包括瞬态热线法，激光闪光法，3ω法，稳态平板法，瞬态平面热源法（见图5）。此外，颗粒形状尺寸，颗粒体积分数，团聚，温度，PH值以及超声处理等因素对纳米流体的热导率及粘度皆产生不可忽视的影响（见图6和7）。毛细管粘度计，同心轴粘度计以及锥形板粘度计则广泛地应用于粘度的测量实验中。

图5：纳米流体热导率的测量技术示意图。

图6：影响纳米流体热导率的主要因素

图7：影响纳米流体动力粘度的主要因素。

最后总结了数据驱动在纳米材料热性能研究中的应用，并简要讨论了现阶段研究中存在的挑战和不足，如纳米材料的制备技术与成本问题，纳米流体的团聚问题，界面热阻严重阻碍超高导热复合材料的合成等等，并提出了未来的研究热点和方向。