Forskare löser "fire-phonon" termisk ledningsförmåga nyckel till tekniska applikationer

Hennes forskning kan lösa autismens gåtor - Nyhetsmorgon (TV4) (Juni 2019).

Anonim

Nya fynd har löst ett långtgående hinder i forskning för att förstå effekterna av värmeledning i fasta material, en kritisk fråga vid många tillämpningar, från energikonvertering till elektronikkylning.

Upptäckten kan hjälpa ansträngningar för att förbättra en mängd teknologier, inklusive termoelektriska anordningar, som förvandlar värme till el. termisk barriärbeläggningar, såsom de som används för att skydda turbinmotorns blad från extrem upphettning; värmesänkor för elektronikkylning; kärnbränsle; och forskning om solid state-värmeöverföring i allmänhet.

Forskningen gäller den avgörande rollen som "fononer", kvantmekaniska fenomen som beskriver hur vibrationer reser genom materialets kristallstruktur. Fononerna interagerar, ibland kombinera och dela in i nya fononer, ändra riktning och beteende.

Denna "spridning" är grundläggande för hur ett material leder värme. Hittills har forskare kunnat realistiskt modellera endast interaktionerna mellan tre fononer. I nya fynd har forskare från Purdue University och Oak Ridge National Laboratory visat hur man exakt modellerar interaktionerna mellan fyra fononer och deras effekt på värmeflödet.

"Att kunna förutsäga fyra-phonon-spridning har varit en decennier lång utmaning", säger Xiulin Ruan, en purdue-professor i maskinteknik.

Fyra-fonon-interaktioner har länge ignorerats, delvis för att de ansågs vara försumbara och forskare visste inte hur de skulle modelleras.

"Nu har vi tydligt visat vikten av fyra-phonon-spridning, " sa han.

Resultatet var detaljerat i ett dokument som publicerades i oktober i tidskriften Physical Review B. Det framhävdes som ett "Rapid Communications" -papper, eftersom resultaten är särskilt aktuella och relevanta. Papperet var medförfattare av tidigare Purdue doktorand Tianli Feng, som nu är en postdoktoral forskare vid Vanderbilt University och Oak Ridge National Laboratory; Oak Ridgeforskare Lucas Lindsay; och Ruan.

Hittills har simulering av fyra-phonon-spridning krävt 10 000 gånger beräkningsresurserna som tre-phonon-spridning, vilket gör det obehagligt att utföra kvalitetsteoretiska förutsägelser. Purdue-teamet har emellertid utvecklat en ny metod för att utföra de teoretiska beräkningarna och optimerat simuleringen av fyra-phonon-spridning, vilket reducerar de beräknade beräkningsresurserna.

"Det är en ny fysisk bild, " sade Feng. "Mekanismen för fyra-phonon spridning var redan känd, men ingen visste hur man gör de teoretiska förutsägelserna eller hur man bedömer dess betydelse, vilket är vad vi har uppnått."

Att kunna integrera fyra-fonongata i beräkningar hjälper forskare att utveckla nya material. Material som har ultrahög värmeledningsförmåga är idealiska för värmesänkor, medan de med låg värmeledningsförmåga är lämpade för termoelektriska applikationer och termiska barriärbeläggningar.

De nya resultaten visar att endast användning av tre-phonon-spridning i beräkningar ger resultat som överskattar prestanda hos vissa material och underskattar andras prestationer.

"Den strikta ramen som utvecklats av forskargruppen för att inkludera fyra-phonon-spridning är ny och av betydande vetenskaplig betydelse", säger Alan McGaughey, professor i maskinteknik vid Carnegie Mellon University. "Deras resultat släpper betydande ljus på tidigare teoretiska förutsägelser och experimentella mätningar och hjälper till att styra utvecklingen av nya material för ett brett spektrum av applikationer. Speciellt kan potentialen sätta gränser för hur hög eller låg värmeledningsförmåga kan vara tvärs över ett antal temperaturer. "

Forskare utvecklar alternativ till diamant för applikationer som värmesänkor för elektronikkylning. Ett sådant potentiellt alternativ, kallat zink-blende borarsarsider, har visats i teoretiska beräkningar till rivaliserande diamant i värmeledningsförmåga.

Nya fynd som gäller fyra-phonon-spridning visar dock tidigare bedömningar överskattat materialets potential med mer än 50 procent vid rumstemperatur och ännu mer vid högre temperaturer. Under tiden visades tidigare teoretiska förutsägelser att underskatta potentialen hos kiselbaserade material för termoelektriska tillämpningar vid höga temperaturer.

"Det vi visar här är att den teoretiska övre gränsen inte är lika hög som tidigare trodde på zinkblende borarsenid, " sade Lindsay. "Men dess förutsagda konduktivitet är fortfarande mycket högre än de flesta material, och det är fortfarande ett lovande system."

Forskningen, som har varit helt teoretisk, kan förklara den tidigare skillnaden mellan förutspådda och experimentella värmeledningar av kisel vid hög temperatur. Det kommer att expandera till att omfatta fler laboratorieexperiment.

menu
menu