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[材料资讯] 2019提名国家自然科学奖项目-基于纳米材料热物性测量的导热规律研究

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发表于 2019-1-29 09:30:58 | 显示全部楼层 |阅读模式
提名公示材料
项目名称        基于纳米材料热物性测量的导热规律研究
提名单位        教育部


提名意见
(不超过600字)        该项目针对纳米材料热物性测量缺乏基本原理、热物性数据稀缺和由此导致纳米材料导热规律认识不清的关键难题,开展了基于纳米材料热物性测量的导热规律研究。主要科学发现有:(1)提出了纳米材料热物性测量的新原理:测量纳米流体热物性的反演原理突破了基于简化模型的常规测量原理的框架;三位一体原理无需其它传感器,可用于纳米器件原位测量和纳米传感器标定;交直流混合原理可综合测量同一纳米线材的热导率等八种物性参数,为揭示物性参数间的联系和性能评价开创了先河。(2)基于可靠的热物性数据,发现了纳米材料中新的导热规律:与现有实验结果不同,发现纳米流体热导率无异常增加,揭示了线材纳米流体导热增强的机制为高导热通道效应;实验发现了硫化铋纳米线存在金属-绝缘体二级相变现象;实验发现了理论有争议的金属纳米材料超快瞬态导热不存在尺度效应;发现了纳米材料导热新的非傅立叶效应,建立了可适用于纳米材料的普适导热定律。(3)发展了纳米材料热性能调控的新方法:揭示了聚合物链导热的低维效应,发明了制备高导热聚合物的新技术;发现了石墨烯中弹道热阻主导的纳米约束热阻,发展了石墨烯热性能调控的弹道热阻网络新方法。
该项目为纳米尺度热物性和传热研究领域做出了开创性的重要贡献,获得亚洲热物性研究“重大贡献奖”和首届亚洲热科学“杰出成就奖”等。
对照国家自然科学奖授奖条件,我部决定提名该项目为2019年度自然科学奖二等奖。


项目简介        该项目属工程热物理中的工程传热、传质学科。
纳米尺度热物性和传热是工程热物理领域国际前沿的研究方向。由于宏观尺度下的测量原理和相应的测量数据在纳米尺度下不适用,纳米材料的热物性测量缺乏基本原理与技术,从而使纳米材料的热物性数据很少,尤其是可信的数据更少,由此导致对纳米材料导热规律认识不清,甚至出现某些错误。该项目围绕“基于纳米材料热物性测量的导热规律研究”这一关键科学问题持续研究十余年,主要发现点包括:  


(一)提出了纳米材料热物性测量的新原理:(a)测量纳米流体热物性的反演原理,突破了基于简化模型的常规测量原理的框架,能够同时计及短热线的端部效应和绝缘层影响,解决了常规瞬态热线原理中热线过长和不能绝缘的问题,从理论和实验两方面消除了样品因导电而导致错误的测量结果;(b)“样品-加热器-传感器”三位一体测量原理,通过悬架技术可直接测量纳米线材的热导率和电导率。由于无需借助其它传感器,可用于纳米器件的原位测量和纳米传感器的标定;(c)交/直流混合原理,通过样品与传感器的T形搭接和交直流混合,可实现在同一平台对同一纳米线材热导率、热扩散率等八种物性参数的综合测量,为揭示纳米线材各物性参数间的联系和全面评价其性能开创了先河。


(二)基于可靠的热物性数据,发现了纳米材料中新的导热规律:(a)与现有大量实验结果不同,基于可靠、准确的纳米流体热物性测量数据发现纳米流体热导率没有异常增加,揭示了线材纳米流体导热明显增强的机制为高导热通道效应;(b)与现有理论结果不同,实验发现了硫化铋纳米线存在金属-绝缘体二级相变新现象,对纳米材料热电性能优化具有重要的指导意义;(c)实验发现了现有理论有争议的金属纳米材料超快瞬态导热不存在电子-声子耦合系数的尺度效应,并阐明了其物理机制。(d)发现了纳米材料导热新的非傅立叶效应,建立了可适用于纳米材料的普适导热定律,可准确预测纳米结构的等效热导率。


(三)发展了纳米材料热性能调控的新方法和新技术:(a)揭示了聚合物链导热的低维效应,发明了制备高导热聚合物薄膜的新技术,成功加工的聚乙烯纳米线阵列薄膜的热导率超过 20 W/(m•K),比体材料的热导率高 2 个量级以上;(b)与宏观尺度体系的热阻仅为扩散热阻不同,发现了纳米线间存在以弹道热阻为主导的点接触热阻和石墨烯中的纳米约束热阻,从而进一步发展了石墨烯导热性能调控的弹道热阻网络新方法。


该项目研究成果作国际大会特邀报告 21 次,发表 SCI 论文 75 篇,8篇代表性论文中,有 2 篇 ESI 高被引论文(其中 1 篇连续 10 年为 ESI 高被引论文),被 SCI 他引 388次,被 Web of Science 核心合集他引 432 次。由于这些成果,项目组成员2013年获亚洲热物性研究“重大贡献奖”,2017年获首届亚洲热科学“杰出成就奖”。
客观评价        该项目的研究成果得到国内外广泛认可,8篇代表性论文中,有2篇ESI高被引论文(其中代表性论文1连续10年为ESI高被引论文),被SCI他引388次,Web of Science他引432次,2013年获亚洲热物性研究“重大贡献奖”,2017年获首届亚洲热科学杰出成就奖。


对发现点1“提出了适用于纳米材料热物性测量的新原理”
(1)加拿大化学研究院和新加坡工程院院士,新加坡国立大学A. Mujumdar教授等在 “A Review on nanofluids - part II: experiments and applications”详细解释和评价了代表论文1提出的短热线二维反演原理(Zhang et al. (2007) measured…using the transient short-hot-wire (SHW) technique…based on the numerical solution of two dimensional transient heat conduction for a short wire with the same length-to-diameter ratio and boundary conditions as those used in the actual measurements),见引文【1】。
(2)欧盟未来新兴技术计划咨询委员、意大利国家研究会纳米研究所所长L. Sorba教授等在“Assessing the thermoelectric properties of single InSb nanowires: the role of thermal contact resistance”评价代表论文2提出的T形-交/直流混合原理是可用于综合表征单根纳米线热电性能的全新原理与方法,并详细阐述了其测量原理(“…was characterized by applying a newly developed T-type method [16]. In this method, an AC heating-DC detecting scheme is applied to measure the Seebeck coefficient, while a DC heating-DC detecting scheme is applied for thermal conductivity measurements. The electrical conductivity can be determined by standard four-probe measurements.”),见引文【2】。


对发现点 2“发现了纳米材料中新的导热规律”
(1)土耳其科学院、比利时科学院院士、著名工程热物理学家S. Kakac教授等在综述论文“Single-phase and two-phase treatments of convective heat transfer enhancement with nanofluids - A state-of-the-art review”中,对代表论文3得到的发现点2进行了全面总结,“碳纳米管/水纳米流体的热导率增大不多,但流动换热显著增强”(Zhang et al. [128] experimentally evaluated…They concluded that the enhancement in the convective heat transfer is not solely attributed to the effective thermal conductivity enhancement.),见引文【3】。引文【1】对代表论文1的结论进行了直接引用“纳米流体有效热导率没有异常增强,并且可以用经典理论描述。“Zhang et al. (2007) investigated…the effective thermal conductivities of the nanofluids show no anomalous enhancements and can be predicted accurately by the unit-cell model equation of Yamada and Ota (1980) for carbon nanofibers.”。
(2)Advanced Materials等期刊编辑、沙特 B. Yilbas教授全面介绍和评价了代表论文4中关于金属薄膜超快瞬态和稳态尺度效应不同的研究工作(The size effects… were studied by Ma et al. They demonstrated that the electron–phonon relaxation was nearly the same as that of bulk gold and independent of film thickness, while the electrical resistivity greatly increased as compared to the bulk value and it decreased as the films became thicker.),见引文【4】。
(3)西班牙科学院院士、巴塞罗那自治大学D. Jou教授等在专著《Mesoscopic Theories of Heat Transport in Nanosystems》多次引用代表论文5,在扩展不可逆热力学框架下证明了发现点2中新的非傅立叶效应和建立的普适导热定律合理并且有用,并进一步在多篇论文中引用和论述(…Thermomass (TM) theory [16, 40–42, 89],…reducing to the classical transport equations for low frequency and short mean-free paths of heat carriers. …beside to provide small corrections to the usual transport equations, they turn out to be useful even under extreme nonequilibrium situations.),见引文【5】。
(2)美国工程院院士、普渡大学的M. Lundstrom教授等在 “Thermal transport at the nanoscale: A Fourier’s law vs. phonon Boltzmann equation study”应用发现点2中建立的纳米尺度非傅立叶导热模型研究纳米薄膜导热,以“Following Hua and Cao (Cao是本项目第二完成人曹炳阳,为该论文通讯作者)”等形式近20次引用代表论文6,并精确验证了发现点2提出的弹道-扩散导热模型(…gives results that are essentially identical to the ballistic-diffusive solution presented as Eq. (23) in the work by Hua and Cao.),见引文【6】。


对发现点 3“发展了纳米材料热性能调控的新方法和新技术”
(1)西班牙科学院院士、西班牙国家研究委员会C. Mujangos教授等在顶级期刊《Progress in Polymer Science》(影响因子:25.766)的综述论文“A review on the progress of polymer nanostructures with modulated morphologies and properties, using nanoporous AAO templates”中详细介绍了代表论文7提出的纳米注塑加工技术使聚合物纳米线阵列热导率提高2个量级“Cao et al. reported…They estimated thermal conductivity values for single PE nanowires of 26.5 W/m K, an increase of 2 orders of magnitude with respect to bulk PE.”),引文【7】;美国人文与科学院院士、工程院院士、麻省理工学院的Gang Chen教授等在 “Continuous fabrication platform for highly aligned polymer films”评价代表论文7“与常规机械拉伸技术截然不同,曹等采用纳米模板技术获得了高定向聚乙烯纳米线阵列As opposed to mechanical drawing, Cao et al., used a nano-template to achieve aligned ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) nanowires”。
(2)ASME fellow,田纳西大学K. Kihm教授等在“Heat flow diversion in supported graphene nanomesh”指出代表论文8提出的弹道热阻网络法是调控石墨烯导热性能的“最可行且可负担的方法之一(the technique of geometrically modifying or constricting a graphene sheet is suggested as one of the most feasible and affordable methods [25]…)”,引文【8】。


代表性论文专著目录
序号        论文专著名称/刊名/作者        年卷页码        发表时间        通讯作者        第一作者        国内作者        SCI他引次数        他引总次数        论文署名单位是否包含国外单位
1        Effective thermal conductivity and thermal diffusivity of nanofluids containing spherical and cylindrical nanoparticles / Experimental Thermal and Fluid Science / Xing Zhang, Hua Gu, Motoo Fujii        2007年31卷593-599页        2007年05月01日        张兴        张兴        张兴        185        213        是
2        A T-type method for characterization of the thermoelectric performance of an individual free-standing single crystal Bi2S3 nanowire / Nanoscale / Weigang Ma, Tingting Miao, Xing Zhang, Koji Takahashi, Tatsuya Ikuta, Boping Zhang, Zhenhua Ge        2016年8卷2704-2710页        2015年12月28日        张兴        马维刚,缪婷婷        马维刚,缪婷婷,张兴,张波萍,葛振华        10        10        是
3        Heat transfer and pressure drop of nanofluids containing carbon nanotubes in laminar flows / Experimental Thermal and Fluid Science / Jianli Wang, Jianjun Zhu, Xing Zhang, Yunfei Chen        2013年44卷716-721页        2013年01月01日        张兴        王建立        王建立,朱建军,张兴
,陈云飞        63        67        否
4        Experiment study of the
size effects on electron-phonon relaxation and electrical resistivity of polycrystalline thin gold films / Journal of Applied Physics / Weigang Ma, Haidong Wang, Xing Zhang, Wei Wang        2010年108卷064308页        2010年09月17日        张兴        马维刚        马维刚,王海东,张兴,王玮        18        20        否
5        Generalized heat conduction laws based on thermomass theory and phonon hydrodynamics / Journal of Applied Physics / Yuan Dong, Bingyang Cao, Zengyuan Guo        2011年110卷063504页        2011年09月16日        过增元        董源        董源,曹炳
阳,过增元        32        37        否
6        Phonon ballistic-diffusive heat conduction in silicon nanofilms by Monte Carlo simulations / International Journal of Heat and Mass Transfer / Yuchao Hua, Bingyang Cao        2014年78卷755-759页        2014年11月01日        曹炳阳        华钰超        华钰超,曹炳阳        23        23        否
7        High thermal conductivity of polyethylene nanowire arrays fabricated by an improved nanoporous template wetting technique / Polymer / Bing yang Cao, Yuanwei Li, Jie Kong, Heng Chen, Yan Xu, Kaileung Yung, An Cai        2011年52卷1711-1715页        2011年04月05日        曹炳阳、孔杰、容啟亮        曹炳阳        曹炳阳,李元伟,孔杰,陈恒,徐雁,容啟亮,蔡岸        38        43        否
8        Networked nanoconstrictions: An effective route to tuning the thermal transport properties of graphene / Carbon / Bingyang Cao, Wenjun Yao, Zhenqiang Ye        2016年96卷711-719页        2015年09月30日        曹炳阳        曹炳阳        曹炳阳,姚文俊,叶振强        19        19        否
合计                388        432       


主要完成人情况       


张兴,排名1,清华大学航院工程热物理所所长,教授,工作单位:清华大学,完成单位:清华大学,是该项目主要负责人,对发现点1,2有重要贡献,具体提出了适用于纳米材料热物性测量的反演、三位一体和交直流混合新原理(发现点1,代表性论文1,2);发现了纳米材料中新的导热规律,包括实验发现了纳米流体热导率没有异常增加,增强机制为高导热通道效应,实验发现了硫化铋纳米线中的金属-绝缘体二级相变新现象,实验发现了金属纳米材料超快瞬态导热不存在尺度效应的现象并阐明了其物理机制(发现点2,代表性论文1,2,3,4)。


曹炳阳,排名2,航院副院长,教授,工作单位:清华大学,完成单位:清华大学,对发现点2,3有重要贡献,具体发现了纳米材料导热新的非傅立叶效应,建立了纳米材料的普适导热定律(发现点2,代表性论文5,6);发展了纳米材料热性能调控的新方法和新技术:揭示了提高聚合物热导率的机理,发明了制备高导热聚合物薄膜的新技术;制备了高导热高定向聚合物纳米线阵列,其热导率比常规聚合物提高2个量级;发展了石墨烯导热性能调控的弹道热阻网络新方法(发现点3,代表性论文7,8)。


马维刚,排名3,副教授,工作单位:清华大学,完成单位:清华大学,对发现点1,2有重要贡献,具体推导了综合测量纳米线材物性的交/直流混合分离原理、开展了相关的实验验证和仪器设备开发(发现点1,代表性论文2);实验发现了硫化铋纳米线中的金属-绝缘体二级相变新现象;实验发现了金属纳米材料瞬态导热不存在尺度效应的现象并阐明了其物理机制(发现点2,代表性论文2,4)。


过增元,排名4,教授,工作单位:清华大学,完成单位:清华大学,对发现点2有重要贡献,发现了纳米材料导热新的非傅立叶效应,包括热流的时间和空间的惯性新效应和边界滑移新效应,建立了纳米材料的普适导热定律(发现点2,代表性论文5)。


完成人合作关系说明        完成人张兴、曹炳阳、马维刚和过增元属于清华大学航天航空学院工程热物理研究所的同一研究团队,从2005年12月1日(除马维刚从2006年9月1日读研加入,导师为张兴)本项目开始起直到项目完成(2015年12月28日)并延续至今。团队通过共同立项、论文合著等多种形式开展密切合作,共同开展基于纳米材料热物性测量的导热规律研究,顺利完成本项目。张兴负责项目的总体规划设计、并负责纳米材料热物性测量新原理提出及纳米材料新导热规律发现,曹炳阳负责纳米材料新导热规律发现及应用,马维刚负责热物性测量实施和导热新规律总结,过增元负责纳米材料新导热理论建立,完成人间合作关系的代表性合作方式和合作成果有:
(1)张兴、曹炳阳、马维刚合作在工程热物理学报2009年30卷1907-1909页发表论文“金纳米薄膜导电和导热性质的实验研究”。
(2)张兴、曹炳阳、过增元合作于2008年01月01日-2011年12月31日间完成了由张兴作为负责人的国家自然科学基金重点项目“微纳米尺度流动与传热学”(50730006)。
(3)张兴、马维刚、过增元合作在International Journal of Heat and Mass Transfer的2011年54卷967-974页发表论文“Theoretical and experimental study on the heat transport in metallic nanofilms heated by ultra-short pulsed laser”。
(4)张兴和马维刚合作发表代表性论文2和代表性论文4。
(5)曹炳阳和过增元合作发表代表性论文5。


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