2022年, 第31卷, 第4期 刊出日期：2022-06-29
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热科学学报. 2022, 31(4): 976-1007. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1654-1 CSTR: 32141.14.JTS-022-1654-1针对微纳米材料的准确热物性表征一直是微纳热科学领域的研究重点与难点，基于扫描探针显微镜(SPM)的扫描热显微镜(SThM)能够以高空间分辨率采集微观定域内的材料热性质，在材料微纳尺度热测量领域有着广泛的应用。本综述从SThM发展历史出发，详细介绍了该仪器的工作原理、热探针的发展、测试结果的定量化研究和仪器的多场合应用，并将仪器的热传递机理部分作为核心部分进行了重点讨论。此外，本文还结合相应的应用实例，对基于SThM平台的新兴技术进行了清晰的总结归纳，文章最后讨论了利用SThM进行微纳尺度热测试所面临的挑战和未来的发展前景。
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热科学学报. 2022, 31(4): 1008-1015. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1622-9 CSTR: 32141.14.JTS-022-1622-9准确、直接地表征石墨烯和石墨薄膜的热输运特性对于理解其热输运机理和推动其在热管理方面的应用具有重要意义。然而，由于缺乏实验数据，石墨薄膜热输运特性的厚度依赖性机理尚未有清晰明确的认识。本研究采用时域热反射法（TDTR）对 90 nm 厚的石墨薄膜进行表征，得到的石墨薄膜面内热导率和石墨薄膜与金之间的界面热导分别为1354 ± 297 W/(m·K)和 38 ± 6 MW/(m2·K)。两种理论模型也用于比较和讨论，最终我们得出结论，认为材料的表面扰动对石墨薄膜声子传输的影响将超出近表层到更内层。这项工作不仅提供了对石墨薄膜中热传输尺寸效应基本机理更好的理解，而且促进了石墨薄膜在未来作为散热材料的应用。
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热科学学报. 2022, 31(4): 1016-1022. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1625-6 CSTR: 32141.14.JTS-022-1625-6本文采用采用非接触式拉曼光谱实验方法测量了单根单壁和多壁碳纳米管的热导率，测量中考虑了激光对碳纳米管的加热作用。通过碳纳米管的拉曼G峰频移随温度呈线性变化的规律获得碳纳米管的局部温度，结合一维导热模型，计算得到其热导率。在316 K-378 K的测量温度范围内，长度为25 μm，直径为1.34 nm的单壁碳纳米管的热导率随着温度的升高而降低，热导率变化范围为1651 W/m·K-2423 W/m·K；316 K-445 K温度范围内，长度为40 μm，直径为9.2 nm的多壁碳纳米管的热导率范围为1109 W/m·K-1700 W/m·K 。 采用分子动力学模拟进一步分析了碳纳米管热导率的尺寸效应， 结果表明单根碳纳米管热导率随管长的增加而增大，最终趋于一收敛值。本文可为单根碳纳米管的热性能研究提供参考数据。
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热科学学报. 2022, 31(4): 1023-1036. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1520-6 CSTR: 32141.14.JTS-021-1520-6热带法作为一种典型的瞬态导热系数测量方法，被广泛用于测量不同温度下材料的隔热性能。由于热带法的测量理论基于纯导热介质假设，当测量半透明材料如二氧化硅气凝胶和光伏玻璃时其内部热辐射在高温下为主要传热模式，偏离了测量理论，影响测量结果的可靠性。本文采用数值模拟方法研究揭示了热带法测量半透明材料隔热性能的可靠性。通过数值模拟复现了热带法测量半透明材料导热系数时材料内部的导热-辐射耦合传热过程，获得了不同消光系数的半透明灰体材料不同温度下的等效导热系数。将热带法预测结果分别与一维稳态法、瞬态平面热源法和Rosseland模型得到的半透明材料等效导热系数进行对比，发现消光系数低的材料等效导热系数预测结果偏差较大，高温下热带法测量的导热系数高于稳态法测量结果。为实现半透明材料等效导热系数的准确测量，不同导热系数测量方法需考虑辐射传热效应。
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热科学学报. 2022, 31(4): 1037-1051. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1594-9 CSTR: 32141.14.JTS-022-1594-9
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热科学学报. 2022, 31(4): 1052-1060. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1626-5 CSTR: 32141.14.JTS-022-1626-5非晶二氧化铪(a-HfO2)由于其宽带隙和高介电常数等优异性能在半导体器件材料中被广泛关注。然而，a-HfO2热输运性质尚不明确，由此阻碍了它在电子领域的潜在应用。本工作使用基于分子动力学的方法系统地研究了a-HfO2的热输运性质。非平衡态分子动力学模拟表明，a-HfO2的热导率在100 nm以下具有明显的尺寸效应。热流谱分解分析方法表明了传播子和扩散子的热输运对系统长度的敏感性。通过格林-久保模式分析方法计算表明a-HfO2的热导率随温度的升高而升高。通过量化不同温度下各热载流子对热导率的贡献，我们发现在低温下(<100 K)，传播子比扩散子对热输运的贡献显著，而在高温下，扩散子主导了热输运。
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热科学学报. 2022, 31(4): 1061-1067. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1640-7 CSTR: 32141.14.JTS-022-1640-7高分子材料中，热可以沿着分子链方向高效的传递，但是高分子链都具有有限的长度，因此这些热量最终都会跨过链-链边界传递，而链间热输运的效率通常比较低。该论文通过分子动力学模拟研究了聚乙烯链间的热输运，文章中研究了具有不同长度的高分子链(75 nm, 150 nm和251 nm)相互重叠后的链-链间热输运。研究的结果显示随着两条聚乙烯链重叠长度的变化，总的热导呈现出先增大后减小的变化趋势,其原因是随着重叠长度增加链-链间热阻减小，但沿着链方向的热阻增加。文中通过分析构建了链-链热输运的简化热阻模型，模型显示总的链-链热阻可以分解成两部分，一部分为链长热阻，另一部分是与链-链界面热阻相关的耦合项，耦合项的系数和链长热阻与链间热阻的比值相关。由于耦合系数的变化，基于链-链界面的耦合热阻不会随着链-链重叠长度增加一直减小，而是趋于一定值。
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热科学学报. 2022, 31(4): 1068-1075. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1661-2 CSTR: 32141.14.JTS-022-1661-2纳米尺度超晶格结构为高性能热电材料和热管理材料开发提供了可能途径，尤其是各向异性导热特性是设计定向散热器件的关键。本文采用非平衡态分子动力学模拟方法研究了一维超晶格结构的热导率各向异性。研究结果表明，一维超晶格结构的周期长度可有效调控其面向和法向晶格热导率。随着超晶格周期长度增加，面向热导率先增大后趋于收敛，法向热导率逐步增加，从而引起热导率各向异性产生非单调变化。基于界面热阻、声子态密度和声子频谱透射系数结果揭示了一维超晶格中声子输运的微观机制。
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热科学学报. 2022, 31(4): 1076-1083. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1648-z CSTR: 32141.14.JTS-022-1648-z本文采用分子动力学方法模拟了电场对离子液体[bmim][Tf2N]微观结构和输运性质的影响，为离子液体的调控提供了理论依据。模拟结果表明，[bmim]和[Tf2N]分别沿电场的正、负方向缓慢移动，弱电场下阴离子和阳离子仍然交替排列，弱电场对[bmim][Tf2N]中的静电力影响不大。较强电场对[bmim][Tf2N]的静电力有显著影响，不仅导致[bmim]和[Tf2N]的聚集，还在[bmim][Tf2N]内部引发出大孔洞。此外，随着电场强度的增加，[bmim][Tf2N]的密度增大，这意味着[bmim][Tf2N]内部的自由体积变小；与此同时导热系数和粘度表现出各向异性。
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热科学学报. 2022, 31(4): 1084-1093. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1630-9 CSTR: 32141.14.JTS-022-1630-9本文构建了固-流-固受限纳米空间系统，实现可调控的热整流及负微分热阻效应。系统一端固体为平壁，另一端为活动型肋状纳米结构，可以同时实现热整流效应和负微分热阻效应。非平衡态分子动力学模拟计算结果表明，随着肋状纳米结构逐渐被推入到受限空间内，通道内纳米结构肋高增大，冷端壁面处的自由能势垒差逐渐降低，对流体分子的吸附作用变强，热整流效应和负微分热阻效应也会随之增强。最大热整流效率可达到340%，同时能够实现负微分热阻效应的温差范围显著扩大。本文提出的可调控热整流和负微分热阻效应为热管理系统的设计提供了新思路。
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热科学学报. 2022, 31(4): 1094-1105. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1637-2 CSTR: 32141.14.JTS-022-1637-2薄膜热电制冷器（TEC）是一种具有广阔应用前景的固态热泵，可利用帕尔贴效应对芯片局部超高热流进行散热。当向薄膜TEC施加电流脉冲时，TEC将产生比恒定电流条件更低的瞬态低温。在本文中，我们提出利用热电薄膜瞬态制冷效应降低在动态功率下芯片的峰值温度，提高半导体芯片工作的稳定性和可靠性。本文建立了三维数值模型研究了芯片上薄膜TEC的瞬态冷却性能，分析了不同电流脉冲、芯片热流密度、TEC热电偶长度、热电偶数量和接触电阻等参数对薄膜TEC性能的影响。结果表明，当在芯片峰值功率之前向薄膜TEC施加0.6A的电流脉冲时，芯片的峰值温度降低了10℃以上，使薄膜TEC成为现代高功率芯片温度控制的一种有效技术。
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热科学学报. 2022, 31(4): 1106-1114. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1610-0 CSTR: 32141.14.JTS-022-1610-0纳米线具有比体材料更显著的量子约束和声子散射效应，因此往往具有更优异的热电性能。然而，准确地测量纳米线的热电性能是一项具有挑战性的工作。本文采用综合T形法对单根悬架硒化锑纳米线的热电性能进行了表征，测量了热导率、电导率、塞贝克系数和热电优值随温度的变化关系。当温度从80 K升高到320 K时，纳米线的热导率从0.57 W/(m K)增大到3.68 W/(m K)。由于声子在硒化锑材料传热过程中起主导作用，而单晶硒化锑纳米线的缺陷密度极低，导致其热导率比文献中的体材料热导率稍高。当温度从50 K升高到320K时，电导率从7.83 S/m升高到688 S/m，明显高于体材料值。在294 K，硒化锑纳米线的塞贝克系数为-1120 uV/K，热电优值为0.064。
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热科学学报. 2022, 31(4): 1115-1134. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1668-8 CSTR: 32141.14.JTS-022-1668-8
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热科学学报. 2022, 31(4): 1135-1144. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1624-7 CSTR: 32141.14.JTS-022-1624-7高温湿润现象广泛存在于金属3D打印、金属复合材料制备、选择性激光熔化等工业应用中。以往的润湿模型是建立在等温体系的基础上，即液滴与基底具有相同的温度。但在许多实际的高温湿润体系，液滴和基底具有较大的温差。对于这样的湿润体系，温差和凝固反应对高温湿润动力学的影响机制尚未明晰。因此，本文利用分子动力学模拟方法，对比研究了不同比率的铝-镍和铜-镍合金液滴在相同铜基底上的非等温铺展。模拟结果显示，随着铺展的进行，铝-镍/铜和铜-镍/铜两种体系下都会出现明显的溶解反应，没有观察到前驱膜产生。对于铝-镍/铜体系，当合金液滴含有较少的镍原子时，铺展速率更快。而对于铜-镍/铜体系，由于铜原子和镍原子具有相近的晶格常数，合金液滴组分浓度变化不会影响铺展速率。此外，由于合金液滴与基底存在较大的温度梯度，液滴和基底间除了原子相互扩散之外，还存在热量交换。当低于熔点温度时，液滴最先在三相接触线附近开始凝固，逐渐抑制铺展。液滴完全凝固后，晶格常数的匹配程度将会决定液滴内部原子的堆积方式。由于铝原子和铜原子晶格常数差异较大，在铝-镍/铜体系中的液滴内部会观察到六方最密、体心立方以及面心立方三种不同的堆积方式，但在铜-镍/铜体系下液滴内部只会出现面心立方堆积方式。研究结果还表明，利用铺展和凝固的耦合作用，能够操控液滴在基底形成指定图案。该研究有助于深入理解高温湿润现象背后的微观机理，为金属3D打印、合金制备等实际应用提供理论指导。
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热科学学报. 2022, 31(4): 1145-1154. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1664-z CSTR: 32141.14.JTS-022-1664-z与壁面的碰撞会导致纳米颗粒的分子逃逸，这表明纳米颗粒会发生相变。理解上述发生相变的纳米颗粒碰撞过程的机理对于能质输运中的应用具有重要意义。本研究采用分子动力学方法模拟了单原子氩分子纳米颗粒与镍金属晶体壁面的碰撞过程，分别分析了逃逸分子的运动行为和能量转换规律，进一步讨论了分子间作用力和初始温度对碰撞过程的影响。研究结果表明，由于分子间作用力，纳米颗粒可被壁面加速并最终与之碰撞，分子通过壁面反弹或分子间的能量交换（势能和动能之间的能量转换）从纳米颗粒逃逸。远离纳米颗粒中心的分子更有可能逃逸，而逃逸分子的速度符合麦克斯韦分布。分子间作用力越小、初始温度越高，则逃逸分子越多、相变潜力越大。作为纳米颗粒在壁面附近相变的基础研究，本文有助于进一步研究纳米颗粒的传热特性和相变机理。
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热科学学报. 2022, 31(4): 1155-1166. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1600-2 CSTR: 32141.14.JTS-022-1600-2由于纳米流体的尺寸、几何形状、界面、温度等因素的影响，纳米流体导热与体材料的导热不尽相同。本研究采用分子动力学方法，系统地分析了影响纳米受限水薄膜热传导的关键因素。随着铜板厚度的减小，纳米受限水薄膜的垂直方向导热系数呈指数衰减，同时热阻、径向分布函数峰值和原子热路径值呈指数增加。通过计算受限液膜的平均键序、径向分布函数、均方位移和振动态密度，分析了液膜中水分子的分子分布、分子扩散和分子振动对热传导的影响，特别是在无氧原子的区域(这是通过近壁密度剖面图观察到的)。结果表明，声子散射是决定这一近壁区域热导率降低的主要因素。受限水薄膜与体材料水的导热系数的热导率之比和近壁区占整个液膜比例的对数成线性关系。界面热阻的大小与膜厚呈正相关，但变化不大。这项工作对进一步了解固体/液体界面附近的水分子对纳米受限流体热传导过程强化的影响提供了见解。
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热科学学报. 2022, 31(4): 1167-1179. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1629-2 CSTR: 32141.14.JTS-022-1629-2固液界面传热取决于界面的物理性质，但是界面的传热机理尚不明确，甚至存在一定的争议。本文基于非平衡态分子动力学模拟方法模拟了固液界面的传热过程。研究发现，增加界面耦合强度或在固体界面上布置纳米结构均可以增强界面传热。基于界面区域的热通量分布、平均力势和声子振动态密度的分析表明，热流密度的动力学项及维里项主导了固液界面处的热量传递，较强的界面耦合强度或者纳米结构表面可以强化固体表面对流体分子的吸附效应，降低固液界面处的声子振动态密度的不匹配，从而强化固液界面传热。
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热科学学报. 2022, 31(4): 1180-1193. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1660-3 CSTR: 32141.14.JTS-022-1660-3将石墨烯纳米片 (GNP) 添加到纯相变材料中是提高储能系统性能的一种很有前景的方法，其应用需要全面了解石墨烯纳米流体的凝固行为。在本研究中，数值分析了石墨烯质量浓度、腔体尺寸和形状对固液界面演化、温度分布、流线以及凝固速率的影响。采用焓-孔隙率技术跟踪固液界面。结果表明，石墨烯纳米片对凝固的促进作用主要体现在以热传导为主的最后阶段；早期凝固发生在型腔底部，固液界面与型腔本身形状相似，中期和末期分别趋于圆形；在石墨烯质量浓度为1.2 wt%时，凝固时间缩短度达到30.1%；减小腔体尺寸和采用三角形腔体有利于促进相变传热，但会抑制石墨烯对相变传热的增强作用。
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热科学学报. 2022, 31(4): 1194-1205. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1643-4 CSTR: 32141.14.JTS-022-1643-4本文旨在破译液膜厚度与气液段塞流流体动力学之间的确切关系。通过激光共聚焦位移计（LFDM）和高速相机，开发了一种瞬时测量系统，用于表征液膜的瞬时演变和连续团状流的动态特性。使用内径为 0.75 mm的玻璃管，测试的表观气液速度范围分别为 0.01-1.2 m/s 和 0.01-0.09 m/s。代表气泡段塞流的LFDM非零信号在段塞-环状流型出现时由规则的周期性间隔变为混沌波动。随着表观气体速度从 0.025 增加到 0.78 m/s，周期性间歇性段塞流的主要频率从大约 0.5-2 HZ 增加到接近 10-20 HZ。通过液膜厚度和气泡速度的时间间隔计算的气泡和液塞长度与经验模型具有良好的相关性。同时，由瞬态液膜厚度计算得出的空隙率平均值显示出随气体滞留率的线性增长。
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热科学学报. 2022, 31(4): 1206-1219. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1453-7 CSTR: 32141.14.JTS-022-1453-7聚酰亚胺薄膜是航天器上常用的重要热控材料，对航天器热平衡有重要影响，但很少有人研究薄膜表面缺陷的影响。在本文中，采用紫外-可见-近红外分光光度计测试了聚酰亚胺薄膜和锗/铟锡氧化物/铝涂层组成的复合薄膜的光热性能，用原子力显微镜观察了其表面形貌。本文创新性的从有限差分的角度将表面粗糙度引入FDTD建模模型，采用考虑表面粗糙度的FDTD方法对复合薄膜的光热性能（包括透光率和透光率）进行了研究。基于均方根粗糙度和相关长度生成的随机粗糙表面，采用FDTD方法对复合薄膜电磁波场进行了表征。结果表明，该方法大大提高了计算精度，数值计算结果令人满意。当考虑表面粗糙度时，与实验数据吻合良好。研究结果表明，涂层材料和厚度对复合薄膜光热性能有显著影响。
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热科学学报. 2022, 31(4): 1220-1235. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1623-8 CSTR: 32141.14.JTS-022-1623-8当前，鉴于癌症无处不在且对人类健康造成致命后果，许多跨学科类型的研究正在开发高效的癌症治疗方法。光敏材料介导光热疗法是新兴的治疗方法之一，可以有效杀死肿瘤细胞，最大限度地减少对周围正常组织的损伤。其主要原理是在肿瘤部位特异性地将激光能量转化为热能，从而通过高温、凝固、蒸发等热效应诱导癌细胞损伤。镓基液态金属作为新兴的功能材料，具有独特的物理化学性质，如基本金属特性（高导热性和良好导电性）、非晶特性（极好的流动性、优异的柔性、形状变形能力、自愈合能力和低粘度），以及一些特殊性质（良好的生物相容性、生物降解性、低毒性、催化性能、光热效应和电磁性）。由于这些特性，液态金属纳米颗粒在生物医学应用的各个领域显示出巨大的潜力，包括载药、分子成像、癌症治疗和生物医学设备。目前，已经有不少研究进展证实了液态金属纳米颗粒具有优异的光热转换效率，在癌症光热治疗方面显示出巨大潜力。此外，液态金属纳米颗粒在激光辐照刺激下会发生热致形变和成分变化，从而影响液态金属纳米颗粒的光热性能，进而影响光热治疗效果。例如，由于液态金属纳米颗粒的小热容量和热膨胀引起的聚结和形状变化；形状转变是由于热量和活性氧（ROS）增强了镓与水之间的反应（Ga + H2O → (GaO)OH）。由于这些独特的性质，液态金属纳米颗粒成为一种完全前所未有的光热纳米材料，表现出无与伦比的光热响应。然而，由于目前对生物组织内的激光能量分布和瞬态温度场缺乏了解，将会严重阻碍液态金属纳米颗粒介导的光热治疗的成功。因此，本文着眼于近红外激光照射下液态金属纳米颗粒在生物组织中的独特光热效应，建立了Monte-Carlo光子传输模型与Penne’s生物传热模型耦合的数学模型。研究了可形变液态金属纳米颗粒对生物组织内激光能量分布和瞬态温度场的影响，并且详细分析了液态金属纳米颗粒直径、浓度、激光辐照时间等影响因素以保证可控的治疗精度。据我们所知，本研究是量化激光辐照下可形变液态金属纳米颗粒对生物组织内温度分布影响的重要尝试之一，对指导液态金属纳米颗粒介导的光热治疗具有重要的学术意义。
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热科学学报. 2022, 31(4): 1236-1251. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1607-8 CSTR: 32141.14.JTS-022-1607-8受到节能和环境保护等问题的影响，制冷系统的性能迫切需要改善。近年来，纳米流体因其出色的热学特性受到研究人员的极大关注。在本文中，首先讨论了关于纳米流体的制备和表征的研究现状，还总结了纳米流体的热物理特性相关研究，如热导率、粘度、比热和密度。最后，对纳米流体改善不同类型的制冷系统性能进行了回顾。总的来说，纳米流体作为制冷剂、润滑剂或辅助流体在制冷系统中具有广泛的应用潜力。
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