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(冷)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(冷)系统蓄热(冷)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<镍<铝的相同趋势。
图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
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x、y、z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。
图3. 铜/铝/镍与石蜡界面结构及温度分布
图4. (a)石蜡- cu/Ni/Al模型系统的ITCs; (b)石蜡/金属模型系统x、y和z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x、y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。
图5. (a,b,c)石蜡- Cu， (d,e,f)石蜡- Ni和(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)为x方向;(b)、(e)、(h)为y方向;(c)， (f)， (i)为z方向。颜色编码:黑色代表C，红色代表H，蓝色代表Cu, Ni和Al
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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