作者:吴纯新 高翔 来源:科技日报 发布时间:2023/8/1 14:52:40
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用超材料给电子元器件做身“隔热衣”

 

统计资料表明,温度每升高2℃,电子元器件可靠性下降10%。降低电子元器件工作时的温度,对提高可靠性、精密度及使用寿命都具有重要意义。如何解决在高温环境下,电子元器件使用效能大打折扣的难题,成为研究焦点。

日前,华中科技大学机械科学与工程学院高亮教授团队设计了多种具有自由形状、背景温度独立、全方向功能的热隐身超材料,能屏蔽外部温度场对器件内部物体的干扰,实现主动隔热,可用于热敏元器件的热防护。相关研究成果近日发表于国际期刊《先进材料》。

通过对热流的操控实现超常热功能

近年来,科研人员通过合理设计材料的结构构型,获得了具有超常物理性能的超材料。其中,热学超材料作为超材料的一种,在能源高效利用、电子功率元器件热管理等领域具有重要的应用潜力。

理论上讲,通过设计热学超材料的结构构型,可实现对热流的操纵与控制,从而获得热隐身、热集中、热伪装、热旋转等超常热功能。

目前,实现电子元器件热隐身功能,就是把热隐身超材料放在元器件四周或将元器件盖起来,以隔绝外部的大部分热。

上述研究团队成员华中科技大学机械科学与工程学院教授肖蜜表示:“用于热量屏蔽的材料主要包括以下几种:纳米复合材料、多孔陶瓷材料、碳纳米管、自然材料混合的热学超材料。”

该研究团队提出了深度学习赋能的热学超材料拓扑优化设计方法,实现了自由形状热学超材料的智能设计。

该方法采用深度生成模型,根据热学超材料的定制功能需求,可自动、实时地生成具有目标热传导张量的拓扑功能单胞,进而快速生成热学超材料。

基于该思路,研究团队设计了热隐身超材料,并通过数值仿真和热学实验,验证了其具有良好的热隐身功能。

该研究团队设计的热学超材料由自然材料混合而成,但具备自然材料不具有的超常热性能,而且超材料内部的自然材料通常是不均匀分布,且各向异性的。

肖蜜说,这类材料屏蔽热量的原理是:通过优化设计材料的合理分布,让热量绕过特定区域从而实现热量屏蔽。

在热量屏蔽方面国内外取得一系列成果

当前,热学超材料在热量屏蔽方面的研究,国内外都取得了一些进展。

国际上,美国哈佛大学教授Narayana和Sato根据有效媒质理论,利用两种不同热导率的材料从内向外交替叠加,获得等效的各向异性热导率,首次制备了热隐身超器件,掀起了热隐身超材料的研究热潮。

此后,德国科学院院士Wegener团队通过在铜板上钻孔并填充PDMS胶水,成功验证了瞬态热隐身超器件。新加坡南洋理工大学张百乐教授团队通过精巧的三维金属加工技术,首次成功制备了三维超薄热隐身超器件。我国南方科技大学李保文教授和新加坡国立大学仇成伟教授团队采用两种各向同性材料实现了双层热隐身超器件设计与实验验证。浙江大学何赛灵教授团队采用坐标变换方法在半导体硅上钻孔,设计了热电多场隐身超器件,实现了外部热量和电流的屏蔽与防护。

尽管国外最先实现了热隐身超器件的设计与制备,不过热隐身超材料的概念最早是由我国复旦大学黄吉平教授团队提出的。在2008年,他们提出变换热学理论,首次预言了热隐身超材料,该超材料可保护内部的物体免受外界热量的干扰,且超材料本身不对外界产生任何的扰动。在此基础上,黄吉平团队又开展了大量研究:提出了非线性变换热学理论、设计了宏观热二极管和环境温差中零能耗保温超器件等。

整体而言,国内外热学超材料的研究并驾齐驱,处于并跑阶段。

高亮说,热学超材料可用于航空航天领域,减少航空航天结构的热负荷;可用于能源装备领域,提高设备的热防护和热利用效率;也可用于信息电子领域,改善热敏电子器件的热稳定性、提高其使用寿命等。

大面积推广应用尚需攻克一些难题

虽然在信息电子领域,热学超材料已初步具备了应用条件,但在大面积推广应用和产业化方面还存在一些难点。

高亮介绍,当前热学超材料产业化程度相对较低。虽然一些研究所和公司在该领域进行了相关研发,但其在大规模商业化生产和广泛应用上还面临技术成熟度、成本效益等方面的挑战。

在材料制备技术方面,热学超材料的制备需要高精度制备技术,从而精确控制材料的结构、组成,实现热学超材料设计和制备的一体化和一致化。

在材料多功能性上,热学超材料在实际应用过程中仅考虑热学性能还不够,在不同应用环境中,根据不同需求,还需要考虑其热稳定性、机械强度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损等特性。

此外,在材料成本方面,在推广应用中,热学超材料的成本问题是关键。目前,热学超材料制备成本相对较高,限制了其应用范围。

高亮表示,总的来说,热学超材料产业化应用还有较多技术问题待解决,需要更多研究机构和人员的投入与攻关。伴随科学技术的不断发展与成熟,相信热学超材料产业化应用会很快实现。

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隐蔽热流,堵不如疏

热学伪装常规做法是平衡目标与背景之间的热辐射,最理想情况就是让目标的红外特征完全融合到背景中。从理论基础上来看,传统热伪装很难实现真正意义上的热隐身效果。遇到温差变化大的复杂环境,依靠热遮盖和热绝缘固化了的红外特征,反而还会暴露自身位置。

相较于“堵住”热辐射的传统方法,科研人员将功夫花在“疏导”热流上,相继实验制备出热隐身衣、热聚集器和热旋转器。

热隐身衣。相较于传统隐身装置,基于热学超材料引导热流特性制备的“隐身衣”,能够实时引导背景热流避开被保护的物体,无论隐身区域温度如何变化,都不会对外界的温度分布产生丝毫影响。

热聚集器。引导热流避开中间区域可以做到热隐身,而引导热流向中间区域靠拢就能实现热聚集。这类装置可以作为一种非侵入式的热器件服务于热电效应,从而提高能量转化效率。

热旋转器。基于同样的引导热流原理,热旋转器的引导对象由背景换到了核心区域,通过材料设计实现对中心区域热流的变换引导。从外部观测中心区域红外特征,就像整个空间旋转了一个特定角度,从而出现一类海市蜃楼般的现象。

 
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