热量的能、质二象性的理论与实验研究

目前以飞秒激光和纳米系统（时间、空间微纳尺度）为代表的高新技术领域中傅立叶导热定律不再成立，尚无可替代的成熟的导热理论。本项目以提出热量的能、质二象说和建立普适导热定律为核心目标，基于爱因斯坦质能关系式揭示在传递过程中热量具有质量属性，给出热质的定义式，阐释热量传递实质上就是热质流体在介质中的运动，并阐明可用牛顿力学描述其规律，从宏观和微观的第一性原理导出普适导热定律，它在不同的简化条件下可蜕化为傅立叶导热定律、CV热波模型等温度梯度与热流的本构关系，阐释傅立叶导热本构关系的物理本质，同时通过纳米金属薄膜和单根碳纳米管导热的实验测试和热子气（声子气）运动的动力学数值模拟对普适导热定律进行验证，并揭示极端条件下热壅塞、热激波等新物理现象。本项目的研究可应用于超快速和纳米尺度等极端传热条件的热设计和热分析。

项目围绕热质理论及其应用的主题开展了系统研究，热质理论是清华大学过增元教授团队创立的新热学理论，从重新审视热量的本质出发，提出热的“能、质”二象性学说，一方面认为传统热学中热具有能量的属性，另一方面根据爱因斯坦质能关系式定义了“热质”，即热的质量，热量在传递时同时具有质量的属性，因此，可以采用力学分析方法（包括牛顿力学和分析力学）研究热量的传递规律。建立了热质流体的状态方程和守恒方程，建立了亦适用于高热流密度和超快速导热等极端条件的普适导热定律，它在不同的条件下可退化为傅里叶导热定律和CV热波模型等导热模型，预测了在高热流密度和纳米尺度条件下产生的热拥塞和热激波新现象，基于普适导热理论对纳米尺度导热和超快速导热进行了热分析。实验测量了不同厚度金、铂等金属纳米薄膜和碳纳米管在不同的电导率和热导率，发现纳米薄膜和碳纳米管的热导率体现出显著的尺度效应，在大热流密度下金属薄膜的传热特性和傅里叶导热定律有所差别，表明热质惯性力作用不能被忽略。搭建了飞秒激光热反射实验系统，在室温、400 fs 脉宽激光加热的条件下，金属薄膜中的瞬态导热测量结果没有发现热波，而测量得到温度波的波速可以接近电子费米速度，与理论预测相符合。采用拉曼光谱法研究了悬架碳纳米管的导热特性，在最大温升为90~300 K范围内，尽管热流密度大幅度增加，但沿长度方向温升仍呈现抛物线分布，并且在边界上并没有出现明显的温度跳跃，项目后续将继续探索极低温和高热流密度时单根碳纳米管的传热特性。项目执行期间发表SCI论文共84篇，其中国际期刊论文70篇，发表EI检索的论文12篇，受邀在国际会议上作大会主旨报告9次。项目负责人过增元教授获2014和2015年度连续两次获得汤森路透全球最高被引科学家奖。