| Название: | Теплоперенос на границе раздела фаз в наноструктурированных композитах |
| Грантодатель: | Гранты РНФ |
| Область знаний: | 02 - Физика и науки о космосе |
| Научная дисциплина: | 02-204 - Нано- и микроструктуры |
| Ключевые слова: | теплосопротивление Капицы, поверхность и интерфейс, наноструктурированные композиты, теплопроводность композитов, физическая кинетика, электрон-фононное взаимодействие |
| Тип: | исследовательский |
| Руководитель(и): | Мейлахс,АП |
| Подразделения: | |
| Код проекта: | 18-72-00131 |
Аннотация
Задачей проекта является разработка принципиально новой теории переноса тепла через границу фаз и применение этой теории для расчета теплопроводности наноструктурированных материалов.
Исследование переноса тепла в твердых телах является классической задачей физики конденсированного состояния. Проблема переноса тепла в однородных средах была всесторонне исследована и изложена в ряде монографий. В тоже время теория переноса тепла в неоднородных средах, таких, как нанокомпозитные материалы, слабо разработана. Принципиальным препятствием к построению теории переноса тепла в неоднородных средах является проблема теплосопротивления на границе между фазами, граничного теплосопротивления.
Как известно, при наличии теплового потока на границе двух фаз температура испытывает резкий скачок. Коэффициент пропорциональности между значением теплового потока и скачком температур называется граничным теплосопротивлением или сопротивлением Капицы. По порядку величины, тепловое сопротивление границы равно тепловому сопротивлению ста нанометров однородного материала. Таким образом, оказывается, что, для объектов макроскопического масштаба тепловое сопротивление границ незначительно, но для наноструктурированных композитов, с характерным размером областей порядка десяти нанометров, именно теплосопротивление границ дает основной вклад в общее теплосопротивление материала.
Вследствие этого, проблема переноса тепла через границу двух фаз в наноструктурированных материалах, то есть, проблема теоретического расчета сопротивления Капицы, в последнее время привлекает все большее внимание исследователей.
Заметим, что понятие о таком сопротивлении было дано П.Л.Капицей при решении задачи о жидком гелии.
Со времени первых работ по теории граничного теплосопротивления стало ясно, что причиной скачка температуры на границе сред является отражение фононов от границы. Однако, несмотря на обилие работ, посвященных исследованию сопротивления Капицы, хорошего согласования результатов теоретических расчетов с экспериментальными данными нет до сих пор. Также не существует единой теории, которая давала бы общий метод расчета граничного теплосопротивления для границ любых пар материалов, как это делает, например, метод Чепмена-Энскога (см. Ландау Л. Д. и Лифшиц Е. М. Физическая кинетика / Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшиц – Москва: Наука, 1979.) в теории кинетических коэффициентов в однородных средах.
В проекте предполагается построить такую теорию.
Новой идеей проекта является развитие классических методов физической кинетики, используемых для расчета кинетических коэффициентов, в том числе, теплопроводности, в однородных средах, на случай границы двух кристаллов.
Основой для такого обобщения является работа автора проекта (Мейлахс А.П. «Неравновесная функция распределения при тепловом потоке вблизи границы двух кристаллов» // ФТТ, том 57, в.1, стр. 140-144, 2015), в которой предложено обобщение метода Чепмена-Энскога на случай границы кристаллов. Данный метод дает возможность корректно определить температуры фононов с разных сторон границы, в ходе принципиально неравновесного процесса переноса тепла через границу. Оказывается, что рассчитанный при таком определении скачок температур на границе существенно отличается от рассчитанной по классической модели.
Другой важной особенностью подхода, предлагаемом в проекте, является учет дополнительного вклада в теплосопротивление границ, возникающий из-за возмущения функции распределения частиц границей (Мейлахс А.П., Эйдельман Е.Д. «Перегрев или переохлаждение электронов в металле из-за влияния границы с диэлектриком» // Письма в ЖЭТФ, том 100, в. 2, стр. 89 – 93, 2014).
В ходе работы над проектом предполагается интегрировать оба подхода в единый метод, позволяющий корректно учитывать принципиально неравновесный характер функций распределения частиц – переносчиков тепла при переносе тепла через границу. Метод позволит существенно увеличить точность расчета скачка температуры на границе, при данном тепловом потоке, то есть, точность расчета сопротивления Капицы. Кроме того, метод будет обобщен для решения ряда задач, связанных с неравновесными процессами, происходящими на границе кристаллов.
В ходе выполнения проекта с помощью новых, предложенных авторами методов, предполагается:
- увеличить точность расчета значения сопротивления Капицы на границе различных пар материалов, при переносе тепла через границу фононами,
- рассмотреть влияние электрон-фононного взаимодействия на перенос тепла через границу металл-диэлектрик, учесть передачу тепла от электронов металла непосредственно фононам диэлектрика,
- рассмотреть границу двух проводящих сред, рассчитать граничное теплосопротивление в случае переноса тепла через границу электронами,
- рассмотреть влияние границы на процессы переноса тепла вдоль границы.
Разработанный метод позволит рассчитать и другие кинетические коэффициенты, описывающие электронный транспорт на границе двух фаз, в частности электросопротивление границы, термоэлектрический коэффициент границы.
Ожидаемые результаты
Проект направлен на создание теории, которая позволит рассчитывать теплосопротивление границ любых пар материалов и, таким образом, подбирать оптимальные материалы для создания наноструктурированных композитов с высокой теплопроводностью.
Задача создания композитных материалов с высокой теплопроводностью в последнее время привлекает большое внимание (см. обзор S.V. Kidalov and F.M. Shakhov «Thermal Conductivity of Diamond Composites» // Materials, v. 2, pp. 2467-2495, 2009), в первую очередь для теплоотводов в электронных микросхемах.
Одним из важнейших ограничений теплопроводности композитных материалов является рассеяние тепла на границах фаз. Величина, которая численно характеризует интенсивность рассеяния тепла на границе называется граничным теплосопротивлением или сопротивлением Капицы. По порядку величины, тепловое сопротивление границы равно тепловому сопротивлению ста нанометров однородного материала. Это значит, что в наноструктурированных композитах, в которых размер зерен одной фазы составляет десятки или даже единицы нанометров, именно тепловое сопротивление границ между фазами определяет итоговое тепловое сопротивление материала.
Таким образом, проблема создания композитных материалов с высокой теплопроводностью в свою очередь приводит к задаче о граничном теплосопротивлении. Иллюстрацией интереса к таким задачам может служить статья, опубликованная в одном из самых известных и высоко цитируемых журналов (Ramiere A., Volz S. and Amrit J. “Thermal resistance at a solid/superfluid helium interface” // Nature Mat., v. 15., p. 512, 2016). Стоит заметить, что теория сопротивления Капицы не только чрезвычайно важна для практики, но и является важной фундаментальной и уже более семидесяти лет не решенной научной проблемой.
