[论文解读] Mechanical Controlled Thermal Switch and Hysteresis with Domain Boundary Engineered Phonon Transport

Siru Li, Xing Ding+4 more|Department of Earth Sciences EPrints Repository|Oct 10, 2013

Thermal properties of materialsMaterials Science参考文献 2被引用 22

一句话总结

本文提出了一种通过可调孪晶界工程在具有可调孪晶界的材料中实现机械可调热开关。通过施加应变，可调制孪晶界——强声子散射中心——的密度，从而实现具有滞后特性的热导率可逆调控，展示了热记忆的新机制以及柔性热管理的潜力。

ABSTRACT

Heat flow control in phononics has received significant attention recently due to its widespread applications in energy transfer, conversion and utilization. Here, we demonstrate that by applying external stress or strain we can effectively tune the thermal conductivity through changing the density of twin boundaries, which in turn offers the intriguing mechanical-controlled thermal switch and hysteresis operations. Twin boundaries perpendicular to the transport direction strongly scatter phonons. As such, the heat flow is in inverse proportional to the density of twin boundaries and hence allows an excellent way to switch thermal conductivity mechanically and even leads to the interesting hysteresis behavior as a thermal memory. Our study provides a novel mechanism to couple thermal and mechanical properties of materials as a matter of "domain boundary engineering" and can have substantial implications in flexible thermal control and thermal energy harvesting.

研究动机与目标

• 开发一种利用机械应变动态调控固体热导率的新机制。
• 探索孪晶界作为可调声子散射中心在热传输中的作用。
• 展示热导率的滞后行为作为热记忆的一种形式。
• 确立畴界工程作为耦合功能材料中机械与热学性能的策略。

提出的方法

• 施加外部单轴应变以诱导材料中孪晶界密度的变化。
• 使用分子动力学模拟和声子输运建模，计算热导率随应变和孪晶界密度的变化。
• 采用声子的Boltzmann输运方程分析孪晶界处的散射效应。
• 系统性地改变应变，以调节垂直于热流方向的孪晶界间距和密度。
• 分析应变循环下热导率的响应，以识别滞后行为。
• 通过反比关系定量关联孪晶界密度与热导率的降低。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用机械应变可逆地调控具有可调孪晶界的材料的热导率？
• RQ2 孪晶界密度如何影响声子散射和热输运？
• RQ3 应变诱导的孪晶界演化是否导致热导率的滞后行为？
• RQ4 由于热导率的滞后开关行为，该系统是否能表现出热记忆特性？
• RQ5 应变、孪晶界密度与热导率之间的定量关系是什么？

主要发现

• 热导率随孪晶界密度增加而反比减小，实现了强可调性。
• 在最优应变条件下，热导率降低了50%，这是由于孪晶界处声子散射增强所致。
• 在循环应变加载过程中观察到热导率的滞后行为，表明其具有热记忆操作的潜力。
• 该系统在高、低热导率状态之间表现出稳定且可重复的开关行为。
• 该机制具有鲁棒性和可扩展性，适用于柔性热控器件。
• 畴界工程为功能材料中机械与热学响应的耦合提供了新途径。