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我系陈云飞教授主持的“能量在多层膜界面的输运与耗散机理”项目获得2015年教育部自然科学奖一等奖

发布时间:2016-05-17  阅读次数:1012

我系陈云飞教授主持的“能量在多层膜界面的输运与耗散机理”项目获得2015年教育部自然科学奖一等奖。

项目组成员还包括:杨决宽、毕可东、倪中华、魏志勇。

 

  项目组围绕摩擦声子耗散模型、声子在多层膜面内和多层膜法向的输运开展了系统理论与实验研究工作,取得了在国际上有重要影响的学术成果。美国麻省理工学者发表在Science期刊论文直接引用了我们理论预测数据,并与他们的实验结果进行对比,肯定了我们的结论。加州大学伯克利分校的学者在Nature Nanotechnology撰写专题论文评价我们的工作,认为我们的工作“为实现声子输运的主动调控给出了新思路”。

  相关研究在国内外专业期刊发表 SCI 收录论文 122 篇,被 SCI 他引 965 次,10 篇代表作论文获 SCI 他引 487 篇次,其中,单篇 SCI 他引 122 次。一些研究成果发表在国际重要学术期刊上,如Nano LettersPhysical Review LettersApplied Physics Letters等。研究成果在国际上产生了重要的学术影响,获得国际学术会议最佳论文 4 篇。陈云飞教授多次被美国机械工程师学会邀请在在其年会(IMECE, 2009~2013)作邀请报告。

 

项目简介:

  两种物体或材料接触时会形成界面,界面是机械系统功能形成的基础,也是导致机械系统复杂性的主要根源之一。界面是机械相对运动副之间摩擦产生热量的起源地,摩擦耗能占机械设备总耗能的40% 左右。由于不同材料具有不同的晶格结构、声子模态和电子特性,因此,能量在界面的输运与耗散的机理异常复杂。例如,两个相称表面接触时,摩擦系数会远大于非相称接触摩擦副,因此,可以利用表面结构的非相称性实现结构润滑。另一方面,当能量通过界面时,声子、电子会在界面散射,导致温度剧烈下降,因此,人们可以设计热障界面,实现对关键部件的热防护。随着人类社会工业化进程的加快,能源危机已成为世界性的公共难题,减小摩擦提高能源利用效率、大力发展可再生能源是中国经济获得可持续发展的基础。

  本项目在多项国家研究计划资助下,开展能量在界面上输运与耗散机理方面的研究。研究工作包括两个方面:(1) 开展能量在界面上的耗散机理的研究,为实现摩擦的主动控制、降低能耗提供理论支撑;(2) 开展能量在界面输运机理的研究,为电子器件和机械系统热管理提供理论基础。取得重要的科学发现如下:

  • 利用分子动力学模型进行摩擦和润滑机理分析,给出原子尺度下摩擦能耗模型、揭示固 液界面双电层内电荷倒置现象发生的机理;
  • 在理论上预测了超晶格结构在某一周期长度会出现法向导热系数最小值,阐明最小值发生的机理,并给出最小值发生的条件;
  • 在国际上,首次提出声子沿石墨法向输运的自由程远大于经典理论预测的 10nm 左右,定量给出室温下平均自由程 100 nm 以上的声子对石墨法向导热系数的贡献超过40% 以上;
  • 应用蒙托卡洛模型,实现了对声子输运的玻尔兹曼方程进行求解,清晰地阐明了声子在纳米硅线中能量输运机理;
  • 在国际上率先完成了基于通用图形处理器的分子动力学的建模和算法设计,阐明了在高温时,热膨胀会提供额外的声子动量转移通道,从而增大热阻。

 

 

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