课题组介绍
负责人
曹炳阳，清华大学航空航天学院教授、院长，国家杰出青年学者，国际先进材料学会会士，亚洲热科学联合会创始会士，美国工程科学学会会士。曾获教育部新世纪优秀人才支持计划、中国工程热物理学会吴中华杰出青年学者奖、教育部自然科学奖一等奖、国际先进材料学会IAAM奖章、爱思唯尔高被引研究员奖。 历任国防173重点工程首席科学家、国际传热大会常务理事、国际传热传质中心科学理事会委员、亚洲热科学与工程联合会秘书长、中国航空教育学会常务理事、 中国复合材料学会导热复合材料专业委员会副主任委员、中国工程热物理学会理事、中国工程热物理学会传热传质专业委员会委员、中国热管理产业技术创新战略联盟理事。中国航空学会燃烧传热专业委员会委员，航天E组委员主要研究领域为微纳传热、热功能材料、电子系统热管理主持国家自然科学计划、国家重点研发计划、国家重大科技专项等项目30余项，发表SCI学术论文190余篇，担任ES Energy & Environment主编，担任Journal of Physics等9种国际期刊编委： 凝聚态物质、材料和科学报告。
研究团队
俞志强：他的主要研究兴趣是微通道散热器中的流体和传热特性及其优化。 张旭东：他的研究兴趣包括液态金属传热、先进电子冷却、电磁流体动力学和智能热管理技术。 李淑楠：主要研究方向为信息处理器件传热和低维材料传热。 刘元斌：他的主要研究兴趣是机器学习力场的发展和复杂材料的原子建模。 冉欣：主要研究方向为多尺度传热、界面传热、数值方法开发以及电子和热电学中的热管理。 杆装：主要研究方向为热电技术及其应用。 
研究方向：
1：微观尺度的传热物理学。
2：纳米结构的热物理性质-数值模拟。
3：纳米结构的热物理性质 - 实验测量。
4：晶体管和IC的热管理和可靠性。
5：热功能材料及热管理装置。
6：芯片采用液冷微通道冷却技术。
结果亮点
题目：多向布局的三传感器2方法：测量固体材料热导率的通用方法介绍：各向异性传热在传热的理论和工程研究中都发挥着重要作用，但各向异性热导率的精确测量仍是一大挑战。 为了解决这一问题，提出了一种三传感器2方法，该方法可以精确测量各向同性或各向异性固体材料的热导率。 为了验证其准确性和可靠性，使用了Si、GaN、Aln和-Ga2O3四种典型的单晶半导体，测量结果与文献一致。 该方法将为固体材料的热导率测量提供全面且通用的解决方案。
主题：performance investigation and design optimization of a battery thermal management system with thermoelectric coolers and phase change materials
介绍：为了保证电池的温度运行环境，开发了一种新型的电池热管理系统（BTMS），该系统集成了热电冷却器（TEC）和相变材料（PCMS），其中使用翅片框架来增强传热。 通过建立瞬态热电流体的多物理场数值模型，深入研究了BTMS在两种情况下的热性能。 本文的研究进展将有助于为电池热管理提供新的见解和思路。
主题：numerical investigation of a battery thermal management system integrated with vapor chamber and thermoelectric refrigeration
介绍：高效的电池热管理系统是保证电池工作温度环境的关键。 该文提出了一种新型的电池热管理系统，为了提高电池的热性能，提出了一种蒸汽室和一种热电冷却器。 结果表明，采用热电冷却器和热电冷却器均热板可以大大降低电池的最大温差和温差。 本研究为高效电池热管理提供了新的视角，并详细介绍了热电冷却在该领域的应用。
主题：observation of ballistic-diffusive thermal transport in gan transistors using thermoreflectance thermal imaging
介绍：为了开发有效的氮化镓（GaN）晶体管热管理策略，必须准确**器件结温。 由于器件中产生的热量宽度与GaN的声子平均自由程（MFPS）相当，因此存在声弹道传输，可以显着影响传热端口过程，这需要对GaN晶体管中声弹道效应的影响有深入的了解。 结果表明：随着热源尺寸的减小，与声子MFP相当的热源尺寸的弹道效应显著增强，导致更高的热点温度。 结果强调了多尺度仿真和高分辨率实验对于精确器件结温的必要性。
题目：跨越元素周期表的heuslers声子特性的百万尺度数据集成深度神经网络 npj computational materials
介绍：**晶体声子特性的现有机器学习潜力通常仅限于材料到材料，这主要是由于模型复杂性与原子种类数量呈指数级增长。 我们利用开发的元素空间密度神经网络力场解决了这一瓶颈。 元素周期表中 55 种元素的 11,866 个完整、半铵化和四元化 Heusler 结构的完整声子性质证明了我们的 Element-SDNNFF 方法的有效性和精确性。
题目：纳米SiO2掺杂碱金属氯化物熔盐热能增强热能的新见解：分子动力学研究
介绍：熔盐及其基础纳米流体是聚光太阳能发电系统中重要的传热和储热介质。 为了提高光热发电厂的整体效率，最大限度地提高熔盐比热容非常重要。 将纳米材料掺入熔盐中，提高熔盐的比热容; 然而，纳米粒子在熔盐中掺杂以增加比热容的机理尚不清楚。 本工作首先推导并验证了碱金属氯化熔盐（KCL、NaCl、LiCl）的参数。 采用分子动力学（MD）模拟研究了纯熔盐的比热容、黏度和自扩散系数以及含SiO2纳米颗粒的熔盐基纳米流体的比热容。 本研究结果为进一步研究更高效的熔盐纳米复合材料提供了重要依据。
题目：含有正癸烷和癸酸乙酯或十二酸乙酯生物燃料化合物的燃料混合物的运动学粘度、密度和结构的分子动力学研究
介绍：生物航空燃料是一种清洁的可再生能源，是航空煤油和生物燃料的混合物，近年来受到了很多关注。 然而，关于含有脂肪酸酯的生物航空燃料的热物理性质的数值研究仍然有限。 本文采用分子动力学（MD）方法研究了正癸烷燃料与癸酸乙酯或十二酸乙酯生物燃料混合物的运动黏度和密度，并与UNFACC-VISCO（UV）理论模型计算的黏度和密度进行了比较。 与Compass模型和UV模型相比，PCFF力场（FF）的MD结果可以从燃料混合物的实验数据中得到很好的再现。
题目：基于流阻网络模型的并联微通道散热片高效优化介绍：电子冷却是影响电子技术发展的关键问题。 并行微通道散热器 （PMCHS） 广泛用于冷却电子设备。 然而，现有的优化方法无法有效设计三维液冷PMCHSS，阻碍了大功率和小型电子器件的热管理。 本文利用流动阻力网络（FRN）模型对三维液冷PMCHSS的结构进行了优化。 基于FRN模型的PMCHSS结构优化方法避免了现有优化方法中系统参数的多次迭代，在电子器件高效热管理方面发挥了潜力。
题目：汽车热电发电机综合混合瞬态CFD-热阻模型
介绍：该文提出了一种综合混合瞬态CFD-热阻模型，以改善汽车热电发电机（ATEG）系统的动力学行为。 该模型兼顾了热电模块的温度依赖性、拓扑连接性和动态特性，具有精度高、计算时间短等优点。 使用瞬态废热作为热源输入，确定并彻底检查了ATEG系统的动态行为。 实验验证了模型的正确性，输出电压和出口温度的平均偏差分别为7%70% 和 112%。该模型可以很容易地评估ATEG系统在不同拓扑连接下的动态行为，并为评估ATEG系统的动态行为提供了新的工具。
题目：不同驾驶循环下汽车热电余热回收的动态规律
介绍：不同类型的车辆往往在不同的行驶循环中运行，导致汽车热电发电机的动态行为不同。 采用CFD-TE混合瞬态模型，对简化汽车热电发电机在不同工况下（如HWFET、NEDC、WLTP、CLTC）的动态性能进行评价，以指导汽车热电余热的应用**。 通过对比稳态和动态结果，发现稳态模型高估了输出功率，但可能低于对转换效率的估计。 汽车热电发电机更适合变速频繁的车辆，如在城市和郊区道路上行驶的乘用车，以增强功率输出性能。
题目：通过周期加热实现Bi2Te3热电模块的超高ZT值和效率
介绍：热电发电被认为是一种很有前途的余热发电热电联产技术。 本研究旨在解决热电模块转换效率低的问题，并引入一种新的周期性加热方法来提高其性能。 引入时间平均ztta值和有效转换效率两个新指标来评估热电组件的动态性能。 本研究在设计的瞬态实验器件上对基于Bi2TTE3的热电模块进行了实验，该模块采用N型Bi2Te3-Xsex和P型BixSB2-XTE3材料。 本工作为提高热电模块的输出性能提供了一种新的周期性加热方法，可促进火力发电技术的广泛应用。
题目：考虑热传输与功成本同步的信息擦除速度限制
介绍：随着信息技术的飞速发展，信息处理系统中的传热问题引起了人们的极大关注，但其同步性至今尚未得到研究。 我们研究了一维傅里叶传热与非准静态信息擦除的功成本同步. 在工程中，稳态温度分布施加的速度极限可以理解为伴随温度稳定而来的性能极限，这定量揭示了温度稳定的成本。
主题：topology optimization for near-junction thermal spreading of electronics in ballistic-diffusive regime
介绍：电子设备中的热量会导致过热并降低性能。 改善散热是降低器件温度和提高可靠性的关键。 然而，随着器件的缩小，声学弹道效应会增加热阻，使传统的优化方法效果降低。 本文提出了一种拓扑优化方法，将声子玻尔兹曼输运方程与固体各向同性材料相结合，以优化高导电材料在热扩散问题中的分布。 结果表明，收缩膨胀结构能有效降低热阻; 这项工作加深了对热扩散的理解，为微电子芯片的热优化做出了贡献。
题目：基于晶格动力学的模态分辨声子透射率：鲁棒算法和统计特性
介绍：晶格动力学（LD）能够计算声子通过界面的模式分辨透射率，这对于理解和控制热边界电导（TBC）至关重要。 然而，由于缺乏节能约束，原来的LD方法可能会产生100%以上的非物理传输电阻率。 在这里，我们提出了一种鲁棒的LD算法，该算法利用线性代数变换和投影梯度下降迭代来确保能量守恒。 本工作全面了解了界面模式解析的声子透射率，为进一步研究TBC的机理及其与原子结构的关系铺平了道路。
题目：Hybrid Monte Carlo-Diffusion Studies of Modeling Brickistic-Diffusive regime for Gan Hemts（甘氏热）弹道扩散状态自热建模的混合蒙特卡洛扩散研究
介绍：自发热的准确评估对于电子设备的热管理非常重要，尤其是在充分考虑跨尺度导热过程的情况下。 现有的仿真方法要么基于对流傅里叶定律，要么局限于较小的系统尺寸，难以有效处理不连续的传热问题。 本文采用混合声子蒙特卡罗扩散法测定了器件在弹道扩散态下的温度。 这项工作为电子设备中跨尺度传热的快速和广泛的热模拟提供了机会。
题目：氮化镓热扩散中非傅里叶热扩散的偏置依赖性
介绍：本文通过结合计算机辅助设计（TCAD）和声子蒙特卡洛（MC）仿真，研究了氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMTs）的自发热问题。 **结果表明，通道中与偏置相关的热产生会对热扩散过程和声弹道效应产生重大影响。 在双热源模型的基础上，提出了一种考虑偏置相关声子输运到HEMT器件结温的双热导率模型。 该模型易于与基于有限元方法的热分析相结合，无需进行耗时的多尺度电热仿真。
题目：甘镓中近结声子热扩散：全波段声子蒙特卡罗法模拟技术的比较研究
介绍：精确的热仿真对于GaN Hemts的近结热管理和电热协同设计至关重要。 虽然已经采用了各种方法来模拟GAN中的声子热传输端口，但其性能和可靠性尚未得到充分评估。 本文采用基于第一性原理的稳态全波段声子跟踪蒙特卡洛（MC）仿真，研究了GaN HEMT的热扩散电阻。 全波段MC结果作为充分检验3种广泛使用的GaN中近结声子输运模拟方法的适用性、精度和计算效率的标准。 强调了将第一性原理计算的声子性质直接纳入器件热仿真的重要性，该文可以更清楚地了解GaN中的近结热输运，并可用于GaN基器件的热仿真。
题目：三传感器3-2同时测量基板上薄膜异质结构的热导率和热边界电阻的方法
介绍：由衬底和外延膜组成的固体异质结构在先进技术中得到广泛应用，其热物理性质从根本上决定了相应器件的性能、效率和可靠性。 然而，目前仍缺乏真正适合测量固体异质结构热物理性质的实验方法。 为此，提出了一种3-2方法，该方法可以在没有任何参考样品的情况下同时测量单个固体异质结构中薄膜和衬底的热导率和薄膜-衬底的热边界电阻（TBR），适用性广，适用于膜厚为100 nm至10 m的各种异质结构。 为了验证该方法，用硅基氮化镓测量了两种典型的宽带隙半导体异质结，即硅基氮化镓和硅基氮化镓3 μm。推导了GaN薄膜的导热系数、SiC和Si衬底的导热系数以及GaN衬底的总热阻比，结果与文献一致。 该方法将为各种固体异质结构的热物理性质的测量提供全面的解决方案。
题目：用于GaN外延异质结构热物理性质测量的脉冲热反射成像
介绍：由衬底和外延薄膜组成的多层异质结构广泛应用于先进的电子器件中。 然而，热瓶颈限制了其性能和可靠性，迫切需要有效的方法来全面测量异质结构的热物理性质。 本文提出了一种脉冲热反射成像（PTI）方法，该方法将瞬态温度成像与热反射热成像的瞬态脉冲激发相结合。 通过三次瞬态测试，可以同时测量异质结构样品的六种热物理性质，包括薄膜的导热系数和比热容、衬底的导热系数和比热容、薄膜衬底的热边界电阻以及绝缘层的等效热导率。 为了验证该方法的准确性和可靠性，我们测量了SiC基氮化镓的异质结构样品，并获得了与先前报道的代表性文献数据一致的热物理性质。 该方法对GaN外延异质结构的综合热物理表征具有较高的灵敏度、良好的效率和可靠性。
题目：基于固体液态金属共掺杂策略的高导热系数和低杨氏模量的热界面材料
介绍：热界面材料（TIMS）作为一种典型的热功能材料，对高导热系数和低杨氏模量有很高的要求。 然而，热性能和力学性能的自然同时变化严重阻碍了高性能TIM的发展。 为了解决这一问题，提出了一种固体和液体金属填料在聚合物基体上的共掺杂策略。 填充有 55% 镓基液态金属和 15% 铜颗粒的典型 TIM 的导热系数为 394 W （m·k），杨氏模量为 699 kPa，与掺杂液态金属和固体填料的 Tims 相比，具有最大的热力学性能系数。 固体填料和液态金属填料的协同作用为解决复合材料机械性能和热性能之间的经典权衡提供了广阔的空间。
题目：通过机器学习结合实验，将非晶态氧化镓中的热输运与原子结构相关联
介绍：非晶材料的热传输特性对于其在能源和电子领域的新兴应用至关重要。 然而，由于计算技术的固有局限性以及复杂原子结构缺乏物理直观的描述符，理解和控制无序材料中的热传递仍然是一个突出的挑战。 本文展示了基于机器学习的模型和实验观察的结合如何帮助准确描述无序材料的真实结构、热传输特性和构特性图，并通过氧化镓的实际应用进行说明。 本研究可为未来加速探索无序功能材料传热的性质和机理提供启示。
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