层状多晶材料中声子热输运各向异性抑制的理论解析与实验验证

本研究针对层状多晶材料中声子热输运各向异性机制不清的问题，通过建立包含晶界Kapitza热阻和非平衡声子分布的Boltzmann输运方程(BTE)解析模型，揭示了石墨等多晶材料中面内(1800～2100 Wm?1K?1)与面外(5.1–13.4 Wm?1K?1)热导率的晶粒尺寸依赖性规律，发现传统Matthiessen规则会高估热导率30～40%，为各向异性热管理材料设计提供理论框架。

　　

在追求高性能热管理材料的今天，层状材料因其独特的原子排列方式展现出令人瞩目的热传导特性。以石墨为例，其面内方向的热导率可达1800～2100 Wm^?1K^?1，堪比金刚石；而垂直层面的热导率却骤降至5.1–13.4 Wm^?1K^?1。这种"冰火两重天"的特性源于层内强共价键与层间弱范德华力的鲜明对比，使其成为热扩散应用的理想候选。然而现实中的材料往往并非完美单晶，多晶结构中无处不在的晶界会如何影响这种各向异性热传导？这个看似基础的问题却长期困扰着研究者。

传统理论在处理多晶材料热传导时，通常简单套用Matthiessen规则将晶界散射率与体散射率相加。这种各向同性的假设对于石墨等强各向异性材料显然力不从心。更复杂的是，晶界处的声子传输涉及非平衡态分布和Kapitza热阻等复杂效应，而现有分子动力学(MD)和非平衡格林函数(NEGF)等方法或因计算量巨大，或因忽略温度梯度效应，难以系统研究不同晶粒尺寸下的热导率变化规律。

华中科技大学的研究团队在《Materials Today Physics》发表的研究中，通过建立创新的Boltzmann输运方程(BTE)解析解法，成功破解了这一难题。他们发展的理论框架首次同时考虑了三个关键要素：声子平均自由程的各向异性抑制、晶界处的详细声子透射、以及多晶材料中非平衡声子群分布。该模型在石墨体系中得到验证，与分子动力学模拟和泵浦探测实验结果高度吻合。

研究采用密度泛函理论(DFT)计算本征声子性质，通过VASP软件包结合PBE泛函和DFT-D3范德华修正，获得精确的声子色散关系和群速度。基于此构建的BTE解析模型创新性地引入方向相关的抑制函数，分别处理面内晶界(由五/七元环线性排列构成)和面外晶界(层间扭曲/滑移形成)的不同散射机制。通过定义Kapitza长度L_K量化非平衡声子分布区域，研究揭示了晶粒尺寸超过300 nm时，非平衡效应对热导率的显著影响。

【理论模型】部分阐明，传统Matthiessen规则会严重高估热导率，必须将晶界Kapitza热阻明确纳入抑制函数。面内方向声子群速度高(约20 km/s)，平均自由程长达微米级，而面外方向群速度不足其1/10，导致两者对晶界散射的响应截然不同。

【ab initio声子性质】通过第一性原理计算获得石墨的完整声子谱，发现其面内声子分支在THz频段具有平坦的色散关系，这是高热导率的物理根源。计算得到的Grüneisen参数显示，面外方向的声子非谐性显著增强。

【晶粒尺寸相关热导率】部分显示，当晶粒尺寸D增大时，Kapitza长度L_K先增后饱和。面内热导率在D<300 nm时快速增长，之后增速放缓；而面外热导率始终呈现近似线性增长。忽略非平衡效应会使300 nm以上晶粒的热导率高估30～40%。

这项研究由Guanda Quan等学者完成，其理论框架的普适性不仅适用于石墨，还可推广至其他二维材料如六方氮化硼、过渡金属硫化物等。研究建立的解析方法计算效率远超分子动力学模拟，为工程化设计各向异性热管理材料提供了重要工具。正如作者指出，该成果对理解复杂多晶体系中能量载流子的定向调控具有深远意义，为开发新一代可控热传导材料奠定了理论基础。

特别值得注意的是，研究强调的非平衡声子效应修正了传统认知——在微米级晶粒中，仅考虑晶界散射而忽略非平衡分布仍会导致显著误差。这一发现对精密热设计具有重要指导价值，例如在芯片散热应用中，需要重新评估大晶粒石墨散热片的实际性能。国家重点研发计划(2022YFA1203100)对该研究给予了支持，相关计算在华中科技大学高性能计算平台完成。