用超材料給電子元器件做身“隔熱衣”

◎本報記者 吳純新 通訊員 高 翔

統(tǒng)計資料表明，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)。

日前，華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院高亮教授團(tuán)隊設(shè)計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，能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)。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于國際期刊《先進(jìn)材料》。

(資料圖)

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?！?/p>

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

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)時地生成具有目標(biāo)熱傳導(dǎo)張量的拓?fù)涔δ軉伟?，進(jìn)而快速生成熱學(xué)超材料。

基于該思路，研究團(tuán)隊設(shè)計了熱隱身超材料，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)隊設(shè)計的熱學(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。

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)計與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。浙江大學(xué)何賽靈教授團(tuán)隊采用坐標(biāo)變換方法在半導(dǎo)體硅上鉆孔，設(shè)計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)隊又開展了大量研究：提出了非線性變換熱學(xué)理論、設(shè)計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。

大面積推廣應(yīng)用尚需攻克一些難題

雖然在信息電子領(lǐng)域，熱學(xué)超材料已初步具備了應(yīng)用條件，但在大面積推廣應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化方面還存在一些難點(diǎn)。

高亮介紹，當(dāng)前熱學(xué)超材料產(chǎn)業(yè)化程度相對較低。雖然一些研究所和公司在該領(lǐng)域進(jìn)行了相關(guān)研發(fā)，但其在大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用上還面臨技術(shù)成熟度、成本效益等方面的挑戰(zhàn)。

在材料制備技術(shù)方面，熱學(xué)超材料的制備需要高精度制備技術(shù)，從而精確控制材料的結(jié)構(gòu)、組成，實(shí)現(xiàn)熱學(xué)超材料設(shè)計和制備的一體化和一致化。

在材料多功能性上，熱學(xué)超材料在實(shí)際應(yīng)用過程中僅考慮熱學(xué)性能還不夠，在不同應(yīng)用環(huán)境中，根據(jù)不同需求，還需要考慮其熱穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等特性。

此外，在材料成本方面，在推廣應(yīng)用中，熱學(xué)超材料的成本問題是關(guān)鍵。目前，熱學(xué)超材料制備成本相對較高，限制了其應(yīng)用范圍。

高亮表示，總的來說，熱學(xué)超材料產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有較多技術(shù)問題待解決，需要更多研究機(jī)構(gòu)和人員的投入與攻關(guān)。伴隨科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，相信熱學(xué)超材料產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用會很快實(shí)現(xiàn)。

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隱蔽熱流，堵不如疏

熱學(xué)偽裝常規(guī)做法是平衡目標(biāo)與背景之間的熱輻射，最理想情況就是讓目標(biāo)的紅外特征完全融合到背景中。從理論基礎(chǔ)上來看，傳統(tǒng)熱偽裝很難實(shí)現(xiàn)真正意義上的熱隱身效果。遇到溫差變化大的復(fù)雜環(huán)境，依靠熱遮蓋和熱絕緣固化了的紅外特征，反而還會暴露自身位置。

相較于“堵住”熱輻射的傳統(tǒng)方法，科研人員將功夫花在“疏導(dǎo)”熱流上，相繼實(shí)驗(yàn)制備出熱隱身衣、熱聚集器和熱旋轉(zhuǎn)器。

熱隱身衣。相較于傳統(tǒng)隱身裝置，基于熱學(xué)超材料引導(dǎo)熱流特性制備的“隱身衣”，能夠?qū)崟r引導(dǎo)背景熱流避開被保護(hù)的物體，無論隱身區(qū)域溫度如何變化，都不會對外界的溫度分布產(chǎn)生絲毫影響。

熱聚集器。引導(dǎo)熱流避開中間區(qū)域可以做到熱隱身，而引導(dǎo)熱流向中間區(qū)域靠攏就能實(shí)現(xiàn)熱聚集。這類裝置可以作為一種非侵入式的熱器件服務(wù)于熱電效應(yīng)，從而提高能量轉(zhuǎn)化效率。

熱旋轉(zhuǎn)器?；谕瑯拥囊龑?dǎo)熱流原理，熱旋轉(zhuǎn)器的引導(dǎo)對象由背景換到了核心區(qū)域，通過材料設(shè)計實(shí)現(xiàn)對中心區(qū)域熱流的變換引導(dǎo)。從外部觀測中心區(qū)域紅外特征，就像整個空間旋轉(zhuǎn)了一個特定角度，從而出現(xiàn)一類海市蜃樓般的現(xiàn)象。

來源：科技日報

作者：吳純新

責(zé)任編輯：馮崢

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