Forskning i mikroskala varmeoverførsel lover at gavne militære systemer

(PhysOrg.com) - Et to år gammelt Air Force Office of Scientific Research, tværfagligt universitetsforskningsinitiativ, der involverer University of Michigan, Stanford University, Brown University, og University of California i Santa Cruz gør store fremskridt med at opnå en grundlæggende forståelse af varmeoverførsel ved grænseflader.

"Vi sigter på at opnå dette ved at anvende state-of-the-art teknikker fra flere discipliner for at nå frem til et sæt designregler for tekniske grænseflader med ønskede termiske egenskaber, " sagde Dr. Kevin Pipe, en professor i Mechanical Engineering ved University of Michigan, der leder projektet.

Varmeoverførsel er vigtig for ydeevnen, strømkrav, og pålideligheden af ​​mange militære og kommercielle systemer, herunder termoelektriske køleskabe, spildvarmegenvindingssystemer, køleplader, kraftelektronik, termiske barrierebelægninger, og termiske grænsefladematerialer.

"Seneste fremskridt inden for nanovidenskab har muliggjort den præcise kontrol af grænsefladens fysiske og kemiske struktur, men den grundlæggende fysik, der forbinder denne nanoskalastruktur med termisk transport, er endnu ikke veludviklet, hæmmer konstruktionen af ​​grænseflader med radikalt forbedrede termiske egenskaber, " sagde Pipe.

Grænseflader kan reducere et kompositmateriales termiske ledningsevne ved at sprede de akustiske bølger, der er de primære bærere af varme i faste stoffer.

"Denne spredningsproces giver hver grænseflade en termisk modstand, " sagde Pipe.

Forskerne har opnået en række resultater i løbet af de første to år af deres forskningsindsats, herunder udvikling af et højhastigheds termisk billeddannelsessystem og en teknik til at måle udbredelsen af ​​fononer, de elementære pakker af vibrationsenergi, der bærer varme, med højt signal-til-støj-forhold. Ved at bruge ultrahurtige lasersystemer, der udsender laserimpulser med en varighed på mindre end 50 femtosekunder, Pipes team skaber højfrekvente akustiske bølger på overfladen af ​​et materiale og måler i en proces, der ligner medicinsk ultralydsbilleddannelse, hvordan disse bølger spredes fra begravede grænsefladestrukturer.

"I en af ​​vores målinger, " sagde Pipe, "vi bruger picosekunders røntgenimpulser til at se direkte på atombevægelse nær en grænseflade, når varme strømmer hen over den."

Ved at anvende præcise nanofabrikationsteknikker til at skabe grænseflader med kendt atomstruktur, forskerne er i stand til at forbinde målte varmeoverførselsegenskaber med forudsigelserne af atomistiske simuleringer for at give yderligere forståelse af de involverede fundamentale processer.

"Ved at fremme det nyeste inden for disse teknikker, vi tilstræber fuldt ud at karakterisere en grænseflade og opnå en fuldstændig forståelse af, hvad der styrer varmestrømmen henover den, " sagde Pipe.

"Michigan MURI ledet af professor Kevin Pipe laver ekstraordinære gennembrud for at forstå termisk transport i nanoskala ved præcist at skræddersy grænseflader ved hjælp af avancerede behandlingsteknikker og innovative eksperimentelle laserbaserede metoder til at afgrænse fonontilstande, der deltager i varmetransporten, " sagde Dr. Kumar V. Jata, termiske videnskaber, AFOSR, Arlington, Va. og materialevidenskab, Asian Office of Aerospace Research and Development, Tokyo, Japan. "Tidligere var vi aldrig opmærksomme på grænsefladerne og betragtede dem som enten perfekte eller uperfekte, det ene eller det andet."