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電子元器件受高溫環(huán)境“威脅”？不用怕，這些材料能用來做“隔熱衣”

文章來源：賢集網(wǎng) 更新時(shí)間：2023-08-02 15:30:02

統(tǒng)計(jì)資料表明，溫度每升高2℃，電子元器件可靠性下降10%。降低電子元器件工作時(shí)的溫度，對提高可靠性、精密度及使用壽命都具有重要意義。如何解決在高溫環(huán)境下，電子元器件使用效能大打折扣的難題，成為研究焦點(diǎn)。

那么究竟要如何解決電子元器件遭遇高溫環(huán)境使用效能大打折扣的技術(shù)瓶頸呢？

近日，國際權(quán)威期刊《Advanced Materials》在線刊發(fā)了華中科技大學(xué)高亮教授團(tuán)隊(duì)關(guān)于熱學(xué)超材料拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的最新研究成果“深度學(xué)習(xí)賦能的熱學(xué)超材料智能設(shè)計(jì)”。該成果有效突破了熱學(xué)超材料智能設(shè)計(jì)的技術(shù)瓶頸，設(shè)計(jì)了“熱隱衣”，可屏蔽外部溫度場對器件內(nèi)部物體的干擾，實(shí)現(xiàn)主動隔熱，可用于熱敏元器件的熱防護(hù)。

熱學(xué)超材料設(shè)計(jì)涉及高維設(shè)計(jì)空間、多個(gè)局部極值，計(jì)算成本巨大，給熱學(xué)超材料的智能設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)。針對上述挑戰(zhàn)，高亮團(tuán)隊(duì)提出了深度學(xué)習(xí)賦能的熱學(xué)超材料拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了自由形狀熱學(xué)超材料的智能設(shè)計(jì)。該方法采用深度生成模型，根據(jù)熱學(xué)超材料的定制功能需求，可自動、實(shí)時(shí)地生成具有目標(biāo)熱傳導(dǎo)張量的拓?fù)涔δ軉伟M(jìn)而快速生成熱學(xué)超材料。“基于上述思路，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了多種具有自由形狀、背景溫度獨(dú)立、全方向功能的熱隱身超材料，并通過數(shù)值仿真和熱學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其良好的熱隱身效果。”高亮說。

研究工作為熱學(xué)超材料的智能設(shè)計(jì)提供了全新思路，可靈活實(shí)現(xiàn)不同背景材料、自由形狀和不同熱功能的熱學(xué)超材料的快速設(shè)計(jì)，解決傳統(tǒng)熱學(xué)超材料設(shè)計(jì)中大規(guī)模計(jì)算與反復(fù)優(yōu)化迭代所帶來的計(jì)算效率低等難題，進(jìn)一步推動熱學(xué)超材料在電子等多領(lǐng)域的工程應(yīng)用。

通過對熱流的操控實(shí)現(xiàn)超常熱功能

近年來，科研人員通過合理設(shè)計(jì)材料的結(jié)構(gòu)構(gòu)型，獲得了具有超常物理性能的超材料。其中，熱學(xué)超材料作為超材料的一種，在能源高效利用、電子功率元器件熱管理等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力。

理論上講，通過設(shè)計(jì)熱學(xué)超材料的結(jié)構(gòu)構(gòu)型，可實(shí)現(xiàn)對熱流的操縱與控制，從而獲得熱隱身、熱集中、熱偽裝、熱旋轉(zhuǎn)等超常熱功能。

目前，實(shí)現(xiàn)電子元器件熱隱身功能，就是把熱隱身超材料放在元器件四周或?qū)⒃骷w起來，以隔絕外部的大部分熱。

上述研究團(tuán)隊(duì)成員華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院教授肖蜜表示：“用于熱量屏蔽的材料主要包括以下幾種：納米復(fù)合材料、多孔陶瓷材料、碳納米管、自然材料混合的熱學(xué)超材料。”

該研究團(tuán)隊(duì)提出了深度學(xué)習(xí)賦能的熱學(xué)超材料拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了自由形狀熱學(xué)超材料的智能設(shè)計(jì)。

該方法采用深度生成模型，根據(jù)熱學(xué)超材料的定制功能需求，可自動、實(shí)時(shí)地生成具有目標(biāo)熱傳導(dǎo)張量的拓?fù)涔δ軉伟M(jìn)而快速生成熱學(xué)超材料。

基于該思路，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了熱隱身超材料，并通過數(shù)值仿真和熱學(xué)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了其具有良好的熱隱身功能。

該研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的熱學(xué)超材料由自然材料混合而成，但具備自然材料不具有的超常熱性能，而且超材料內(nèi)部的自然材料通常是不均勻分布，且各向異性的。

肖蜜說，這類材料屏蔽熱量的原理是：通過優(yōu)化設(shè)計(jì)材料的合理分布，讓熱量繞過特定區(qū)域從而實(shí)現(xiàn)熱量屏蔽。

高亮介紹，此項(xiàng)研究工作為熱學(xué)超材料的智能設(shè)計(jì)提供了全新思路，可靈活實(shí)現(xiàn)不同背景材料、自由形狀和不同熱功能的熱學(xué)超材料的快速設(shè)計(jì)，解決了傳統(tǒng)熱學(xué)超材料設(shè)計(jì)中大規(guī)模有限元計(jì)算與反復(fù)優(yōu)化迭代所帶來的計(jì)算效率低的難題，進(jìn)一步推動了熱學(xué)超材料在航空航天、電子等領(lǐng)域的工程應(yīng)用。

在熱量屏蔽方面國內(nèi)外取得一系列成果

當(dāng)前，熱學(xué)超材料在熱量屏蔽方面的研究，國內(nèi)外都取得了一些進(jìn)展。

國際上，美國哈佛大學(xué)教授Narayana和Sato根據(jù)有效媒質(zhì)理論，利用兩種不同熱導(dǎo)率的材料從內(nèi)向外交替疊加，獲得等效的各向異性熱導(dǎo)率，首次制備了熱隱身超器件，掀起了熱隱身超材料的研究熱潮。

此后，德國科學(xué)院院士Wegener團(tuán)隊(duì)通過在銅板上鉆孔并填充PDMS膠水，成功驗(yàn)證了瞬態(tài)熱隱身超器件。新加坡南洋理工大學(xué)張百樂教授團(tuán)隊(duì)通過精巧的三維金屬加工技術(shù)，首次成功制備了三維超薄熱隱身超器件。我國南方科技大學(xué)李保文教授和新加坡國立大學(xué)仇成偉教授團(tuán)隊(duì)采用兩種各向同性材料實(shí)現(xiàn)了雙層熱隱身超器件設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。浙江大學(xué)何賽靈教授團(tuán)隊(duì)采用坐標(biāo)變換方法在半導(dǎo)體硅上鉆孔，設(shè)計(jì)了熱電多場隱身超器件，實(shí)現(xiàn)了外部熱量和電流的屏蔽與防護(hù)。

盡管國外最先實(shí)現(xiàn)了熱隱身超器件的設(shè)計(jì)與制備，不過熱隱身超材料的概念最早是由我國復(fù)旦大學(xué)黃吉平教授團(tuán)隊(duì)提出的。在2008年，他們提出變換熱學(xué)理論，首次預(yù)言了熱隱身超材料，該超材料可保護(hù)內(nèi)部的物體免受外界熱量的干擾，且超材料本身不對外界產(chǎn)生任何的擾動。在此基礎(chǔ)上，黃吉平團(tuán)隊(duì)又開展了大量研究：提出了非線性變換熱學(xué)理論、設(shè)計(jì)了宏觀熱二極管和環(huán)境溫差中零能耗保溫超器件等。

整體而言，國內(nèi)外熱學(xué)超材料的研究并駕齊驅(qū)，處于并跑階段。

高亮說，熱學(xué)超材料可用于航空航天領(lǐng)域，減少航空航天結(jié)構(gòu)的熱負(fù)荷；可用于能源裝備領(lǐng)域，提高設(shè)備的熱防護(hù)和熱利用效率；也可用于信息電子領(lǐng)域，改善熱敏電子器件的熱穩(wěn)定性、提高其使用壽命等。

電子原件屏蔽熱還有哪些材料能做到？

1、氣凝膠

SiO2氣凝膠是一種高分散固態(tài)三維納米材料，具有低密度、高比表面積、高孔隙率、低導(dǎo)熱率等優(yōu)異的特性。相較于其他隔熱材料，氣凝膠納米級的孔徑明顯小于空氣分子的平均自由程，可限制氣態(tài)傳熱。復(fù)雜的納米孔結(jié)構(gòu)增加了傳熱途徑，從而降低固體傳熱。

AG-ST-SD氣凝膠隔熱膜

是將SiO2氣凝膠粉體通過特有的工藝制備而成的一種導(dǎo)熱系數(shù)極低的柔性隔熱保溫薄膜材料。該材料具有超低的導(dǎo)熱系數(shù)，同時(shí)具備優(yōu)良的環(huán)保性、易裁剪等諸多特點(diǎn)，解決消費(fèi)品產(chǎn)品在狹小空間的熱管理問題，對弱耐熱元件的隔熱保護(hù)問題，提升產(chǎn)品的性能及使用壽命，有效降低電子產(chǎn)品可能造成的用戶低溫燙傷。

特點(diǎn)：

厚度薄膜化、優(yōu)良的絕緣性能、熱穩(wěn)定、低蓄熱、柔軟、不掉粉；

材料成卷，可滿足圓刀、平刀等多種模切加工；

可與PET\PI膜、石墨片、銅箔等散熱材料復(fù)合。

實(shí)際上，早在2018年戴爾xps-13款筆記本電腦中，就已經(jīng)使用了氣凝膠隔熱膜作為電池的隔熱材料，通過對電子熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)管理的設(shè)計(jì)，“一梳一堵”達(dá)到均溫降溫的效果，提升電子產(chǎn)品性能及使用壽命，提升用戶的使用體驗(yàn)。

2、導(dǎo)熱硅脂

導(dǎo)熱硅脂是一種具有高導(dǎo)熱性能的膏狀物體，不具流淌性、基本不會固化，還具有非常好的隔熱性能和導(dǎo)熱性能。在電子設(shè)備中，導(dǎo)熱硅脂可以有效地填充散熱器和電子元器件的中空部分，將熱量從高溫區(qū)域傳遞到散熱器并迅速散發(fā)，從而保持設(shè)備的正常運(yùn)行溫度。

與傳統(tǒng)的導(dǎo)熱材料相比，導(dǎo)熱硅脂在導(dǎo)熱性能上具有顯著優(yōu)勢，并能夠滿足不同電子設(shè)備的導(dǎo)熱需求。其還具有良好的穩(wěn)定性、抗老化性能和耐高低溫性能，能夠在各種環(huán)境條件下發(fā)揮良好的導(dǎo)熱效果，從而延長設(shè)備的使用壽命。

在使用導(dǎo)熱硅脂時(shí)，需要注意選擇適合的材料型號和導(dǎo)熱系數(shù)，并掌握正確的施工方法。此外，在存放過程中需要避免陽光曝曬和高溫環(huán)境，以避免材料老化和性能下降。

綜上所述，導(dǎo)熱硅脂是一種理想的導(dǎo)熱材料，可以有效地解決電子設(shè)備因溫度過高而出現(xiàn)的問題。該材料具有高導(dǎo)熱性能、穩(wěn)定性、耐高低溫性能等優(yōu)點(diǎn)，為電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力支持。

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