基于高導(dǎo)熱銅基復(fù)合水凝膠的電子器件熱管理新策略

熱管理博覽會

2023年4月14日 08:49

來源 | International Journal of Heat and Mass Transfer

原文 | https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.123946

背景介紹

隨著科技的飛速發(fā)展，器件功率密度的提高和器件的小型化，造成了設(shè)備在工作過程中產(chǎn)生更多的熱量。因此對于新能源汽車、人工智能以及電子器件等行業(yè)的熱管理提出了更加嚴(yán)苛的要求。如何有效提高電子設(shè)備的散熱能力已成為智能裝備進一步發(fā)展的瓶頸問題。

典型的散熱方式分為主動和被動散熱和熱電冷卻。被動冷卻被認(rèn)為是一種理想的散熱方法，可以降低噪音，從而降低能耗與上述方法相比。被動散熱主要包括自然對流、氣液或固液相變冷卻。熱管作為一種高效的氣液換熱裝置，因其可靠性高、熱性能優(yōu)異，已廣泛應(yīng)用于高功率密度電子元件的熱管理中。然而，在使用熱管冷卻時也存在一些問題。例如，熱管內(nèi)外的腐蝕會影響傳熱性能。此外，污垢和結(jié)構(gòu)布局的問題也對電子散熱產(chǎn)生重大影響。

水凝膠是一種新型的被動散熱材料親水交聯(lián)聚合物鏈網(wǎng)絡(luò)。由于水凝膠中含有大量的親水基團，所以可以保持大約90%是水。水凝膠中的水由于其高潛熱(蒸發(fā)熱)被認(rèn)為是熱管理的一個有前途的候選材料。然而，由于水凝膠的導(dǎo)熱性不佳，研究人員探究了許多方法來提高水凝膠的導(dǎo)熱性，因此如何提高水凝膠的熱導(dǎo)率是目前面臨的挑戰(zhàn)之一。

成果掠影

東南大學(xué)陳振乾教授團隊在高導(dǎo)熱水凝膠的制備與設(shè)計方面取得新進展。在這項工作中，該團隊采用了一種新的設(shè)計策略，將固液互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)與銅納米顆粒結(jié)合起來，以提高熱管理性能。一方面，聚異丙基丙烯酰胺與海藻酸鹽組成的互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)，使制備的水凝膠具有更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并且在多次循環(huán)后仍具有較強的吸濕性。另一方面，通過添加銅納米顆粒創(chuàng)建導(dǎo)熱通道優(yōu)化導(dǎo)熱系數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)通過MD模擬計算，散熱性能通過紅外熱像儀和數(shù)值模擬研究。實驗結(jié)果表明，銅基復(fù)合水凝膠的實驗導(dǎo)熱系數(shù)提高到 0.71 W/(m·K)。同時，MD模擬結(jié)果表明，水凝膠的熱導(dǎo)率約為 0.84 W/(m·K)，這主要是由于水凝膠組分之間的重疊增加造成的。由于導(dǎo)熱系數(shù)的提高，在恒定熱源溫度65℃下，銅基復(fù)合水凝膠的熱通量增加到 977 W/m²，總散熱增加了104.4%。熱管理測試表明，銅基復(fù)合水凝膠的熱管理溫度可達 35℃-50℃。混合策略提高了互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)與銅的協(xié)同性能，提高了材料的熱導(dǎo)率和機械強度，降低了銅納米顆粒的聚集，為熱管理提供了一種新的策略。研究成果以“A thermal management strategy for electronic devices based on copper double skin inspired hydrogel”為題發(fā)表于《International Journal of Heat and Mass Transfer》。

圖文導(dǎo)讀