揭示硅基陶瓷晶体/非晶复合材料界面热输运显著增强的机理研究

随着能源需求增长，开发高效的能量存储与热管理技术至关重要。相变储能技术利用相变材料（PCMs）的高潜热特性，在太阳能利用、废热回收等领域有巨大潜力，但常用有机相变材料如赤藓糖醇因低热导率制约充放热效率。通过添加高导热填料虽能提升热导，但纳米颗粒与基体间的界面热阻问题成为瓶颈，其微观机制尚不清晰。本研究聚焦硅基陶瓷（晶体SiC、Si₃N₄与非晶SiO₂）与赤藓糖醇的界面热输运机制。通过分子动力学（MD）模拟结合时域热反射（TDTR）实验，首次系统量化了三类填料的界面热导（ITC），测得SiC、Si₃N₄与SiO₂的ITC分别为50.1、40.0和25.6 MW·m⁻²·K⁻¹，实验与模拟结果高度吻合。进一步从声子态密度（PDOS）、重叠能量及相互作用能量角度揭示：晶体填料因更优的声子振动匹配与强界面耦合，显著降低热阻；而SiO₂的非晶结构导致声子频域重叠度低，界面热输运效率受限。研究还发现，相互作用能通过调控界面间距影响声子散射，最终决定ITC差异。该工作为复合相变材料的界面热设计提供了理论与实验依据，尤其为高性能热能存储系统及电子器件热管理技术的开发指明新方向，助力清洁能源高效利用与碳中和目标实现。

图  MD计算结果及TDTR实验结果、声子谱分析

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