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Universal effective medium theory to predict the thermal conductivity in nanostructured materials

热导率 玻尔兹曼方程 平均自由程 纳米孔 材料科学 声子 多孔介质 工作(物理) 热的 多孔性 统计物理学 纳米结构 纳米技术 物理 凝聚态物理 散射 热力学 复合材料 光学
作者
S. Aria Hosseini,Sarah Khanniche,P. Alex Greaney,Giuseppe Romano
出处
期刊:International Journal of Heat and Mass Transfer [Elsevier]
卷期号:183: 122040-122040 被引量:9
标识
DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.122040
摘要

Nanostructured materials enable high thermal transport tunability, holding promises for thermal management and heat harvesting applications. Predicting the effect that nanostructuring has on thermal conductivity requires models, such as the Boltzmann transport equation (BTE), that capture the non-diffusive transport of phonons. Although the BTE has been well validated against several key experiments, notably those on nanoporous materials, its applicability is computationally expensive. Several effective model theories have been put forward to estimate the effective thermal conductivity; however, most of them are either based on simple geometries, e.g., thin films, or simplified material descriptions such as the gray-model approximation. To fill this gap, we propose a model that takes into account the whole mean-free-path (MFP) distribution as well as the complexity of the material’s boundaries in infinitely thick films with extruded porosity using uniparameter logistic regression. We validate our approach, which is called the “Ballistic Correction Model” (BCM), against full BTE simulations of a selection of three base materials (GaAs, InAs, and Si) with nanoscale porosity, obtaining excellent agreement. While the key parameters of our method, associated with the geometry of the bulk material, are obtained from the BTE, they can be decoupled and used in arbitrary combinations and scales. We tabulated these parameters for a few cases, enabling the exploration of systems that are beyond those considered in this work. Providing a simple yet accurate estimation of thermal transport in nanostructures, our work sets out to accelerate the discovery of materials for thermal-related applications.

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