界面熱傳輸的案例
一種提升碳納米管/聚二甲基硅氧烷納米復合材料界面熱傳輸的微結構焊接工藝
來源 | Advanced Functional Materials
01
背景介紹
聚合物基材料由于其優異的靈活性，重量輕，優良的可加工性和低成本的特點，在大功率微電子器件的熱管理方面引起了廣泛的關注。但是，大多數聚合物具有相對較低的導熱系數，范圍為0.1至0.5 W/mk。提高聚合物導熱性的一種簡單而有效的方法是將高導熱填料(如金屬、陶瓷、碳基材料)摻入聚合物中。碳納米管，由于其出色的導熱性(≈1000-3000 W/mk)，似乎是一種很有前途的導熱填料。根據麥克斯韋方程，1 vol%的碳納米管負載應該會導致聚合物納米復合材料的導熱性增加十倍。然而，碳納米管增強納米復合材料的高界面熱阻極大地限制了碳納米管優越導熱性的利用，導致導熱系數低于理論計算的預期。
一般來說，碳納米管增強納米復合材料的界面熱阻可分為基體與碳納米管界面處的熱阻和碳納米管填料之間的熱阻。聚合物基體和碳納米管填料之間的界面熱阻歸因于它們的聲子譜的巨大不匹配，這是難以消除的。界面焊接是提高聚合物納米復合材料導熱性能的一種有效方法。例如，碳化聚酰亞胺(PI)焊接的3D石墨烯骨架的導熱性提高了兩倍。在我們之前的工作中，石墨層焊接的3D碳納米管網絡由于在結處有效的聲子和應力傳遞而顯示出大大改善的導熱性。通過界面焊接，還觀察到氮化硼和碳化硅納米線網絡的導熱性顯著增強。然而，目前仍然缺乏對于界面聲子傳輸機理的深入研究。
02
成果掠影
近期，天津大學封偉教授、香港理工大學沈曦教授和香港中文大學（深圳）鄭慶彬教授聯合采用實驗與分子動力學模擬相結合的方法，系統研究了界面焊接對CNT增強聚合物納米復合材料導熱性能的影響。該文報道了一種界面焊接策略來構建三維導熱網絡(GS-w-CNT)。
展開 通過模擬分析揭示微觀尺度聲子對Si-Ge界面熱阻的影響
來源 | Materials Today Physics
01
背景介紹
隨著科技的飛速發展，電子器件逐漸朝著微型化、集成化的方向發展，因此給電子器件帶來了高的功率密度，高功率密度導致了器件發熱嚴重，如果不采取有效的手段可能會導致熱失控的發生。因此熱管理材料以及技術逐漸開始成為人們重點關注的方向。
熱管理就是一個能量轉換的過程，因此固體材料之間的界面的熱傳遞引起了人們的極大興趣。納米結構器件的普及，界面熱傳輸現象中逐漸占據更重要的作用。然而，由于復雜的物理性質和微觀效應，從原子尺度到微觀尺度的探究對界面熱運輸的原理仍然知之甚少。
隨著界面密度的增加，熱運輸不僅取決于材料本身的特性，還取決于熱界面的條件。在這些情況下，由熱界面引起的熱阻可能大于材料本身的熱阻，并在熱傳遞中起關鍵作用。但是，由于熱界面周圍的復雜性，如原子結構不匹配，熱載體之間的相互作用等，更好地理解界面阻力仍然是最近研究工作的中心。
近年來，在界面熱輸運理論和模擬方面取得了許多進展，主要集中在原子尺度上的界面散射。傳統的聲學失配模型(AMM)和擴散失配模型( DMM)基于兩種組成材料的性質來預測界面聲子散射，沒有考慮局部原子結構和鍵合強度對界面熱輸運的影響，存在一定的缺陷。
近期新的模擬手段，例如原子格林函數(AGF)和分子動力學(MD)模擬，克服了這些缺點，已廣泛應用于各種類型的界面。雖然這些MD和AGF在原子尺度上對界面聲子輸運的詳細機制的理解有了顯著的進步，但是它們對模擬更小尺度上的能力有限，例如距離界面幾微米范圍內的聲子-界面和聲子-聲子散射的聯合效應。因此揭示微觀尺度上聲子-界面和聲子-聲子散射的復雜相互作用是非常重要的。
展開 《AFM》：一種自界面柔性熱器件！
根據傅立葉定律：Q=ΔT/Rtc=G ΔT, 即在給定的溫度梯度(ΔT)下，通過接觸界面的熱通量(q)與接觸熱阻(TCR)直接相關。而在各種熱傳輸設備中，使接觸的兩個物體邊界處的接觸熱阻(TCR)最小化是至關重要的。傳統的熱接觸方法有幾個局限性，如TCR高，界面粘附性低，對外部壓力的要求高，以及光學透明度低。
來自蔚山國立科學技術研究所的學者提出了一種自對接柔性熱器件(STD)，它可以在不需要外壓或表面修飾的情況下與平面和非平面基板形成堅固的范德華機械接觸和低阻熱接觸。該設備基于一種獨特的結構，它結合了生物靈感粘合劑結構和由滲銀納米線(AgNW)網絡形成的熱傳輸層。該器件對靶材具有很強的附著性(最大538.9 kPa)，同時在不使用外壓、熱界面材料或表面化學物質的情況下，以較低的TCR(0.012m2 K kW?1)情況下促進了接觸界面的熱傳輸。
展開 具有高導熱性和界面適應性的可回收BN/環氧熱界面材料
熱界面材料(TIMs)通過連接熱源和散熱器，可以有效避免過熱和設備損壞。最新的TIM不僅要求高熱流密度以適應輕量化趨勢，而且要求可回收性以緩解電子垃圾帶來的環境壓力。然而，制備既具有高散熱性能又具有可回收性的TIM仍然是一個巨大的挑戰。
含有導熱填料的聚合物復合材料是高性能TIM的可行候選材料。其中氮化硼(BN)填料因其優異的各向異性熱輸運、介電性能、熱穩定性和機械強度而受到廣泛關注。先進的BN/聚合物復合材料主要旨在通過相互接觸、連續相、規則取向或單向組裝來獲得更高的導熱性。然而，這些方法不僅涉及復雜的工藝，而且對粗糙表面的順應性仍未得到解決。
迄今為止，人們已經探索了多種策略，包括構建夾層結構，降低模量，設計微/納米流體，以及使用熱塑性基質，以賦予TIM具有適應性界面。由于熱塑性材料的彈性變形，在熱塑性復合材料中，通過葉片涂布、靜電紡絲、熱壓、拉伸等方法可以很容易地獲得填料的界面柔度和取向。然而，熱塑性塑料相對較低的力學性能和較高的熱應力不利于其長期使用。最近，熱固性樹脂具有低介電常數和優異的熱性能和力學性能，被認為是TIM的理想基材，但其不溶性和不溶性使其難以符合TIM的粗糙表面，難以回收利用。
02
成果掠影
近期，中國科學院寧波材料技術與工程研究所的代金月老師針對開發高導熱以及具有可回收性的TIM取得新進展。本研究采用熱壓誘導取向法制備了具有各向異性導熱性和可回收性的高性能BN/環氧復合材料，并且具有表面相容性的完全可回收的TIM。
結果表明，僅通過簡單的熱壓處理，填充的BN就可以很容易地在平面上取向，導熱系數為3.85 W/(mK)，BN含量為40 wt %，比原始環氧樹脂高30倍，比熱壓處理前的復合材料高4.3倍。
展開 
仿真技術與芯片并行，探討其不同部分的熱傳輸以及散熱效果
而其中芯片的熱傳輸和散熱性能是至關重要的一點。
芯片散熱模擬
大多數功率半導體器件的結構都非常相似。這是一個熱模型示例，其中包含芯片、引腳、銅片等分立建模元件。
詳細熱模型（左下）和詳細芯片結構（右）
芯片的整體厚度為240 μm。這可以分成兩部分：芯片體，可以導熱但不散熱；較薄的芯片結點，可以導熱，并且當器件傳導電流時幫助芯片散熱。在芯片頂部，有5 μm的鋁層。這種芯片細節水平對于分析器件瞬態散熱非常重要。
由于芯片的非統一特性，工程師們無法立即了解芯片節點散熱時器件內部的熱量的流動情況，或者器件的熱量隨時間上升的情況。然而通過模擬，可以給這些效果建模分析。
工程師們通過執行多個持續時間不同的瞬態熱仿真，并觀察溫度上升和芯片內的熱傳輸。
所有示例的起始溫度都是20 °C，仿真持續時間為1 μs、10 μs、100 μs和1 ms。芯片結點功耗均為1500 W，記錄芯片結點中心位置的溫度。
1 μs、10 μs、100 μs和1 ms后的溫度分布圖
仿真結果
1 μs后，溫度增加幅度很低。盡管芯片結點的功耗可能很高，但設備內的總能耗仍然只有1.5 mW。
100 μs后，大約只有一半芯片厚度仍然保持起始溫度，且溫度相對較低，只有60.5 ℃。
1ms時，熱量開始向銅片頂部傳輸，且溫度接近器件的最高限值175 ℃。
進一步觀察，可以看到1ms之后，總熱量中只有不到1%通過銅片底部散出，甚至比通過器件周圍塑料部件傳輸的熱量還少。
芯片在1ms的持續時間內，大部分熱傳輸和溫度變化都會發生在器件內部，這時候散熱器對芯片的熱傳導是沒有任何效果的。
設計師可以根據這個結果，改善芯片內部的熱傳輸，從而獲取效率更高損耗更低的芯片設計。
展開 CFDPro熱管仿真 | 模擬熱管內部流動及傳熱傳質過程，優化熱傳輸性能
<p>熱管作為一種高效的傳熱元件，其工作原理基于熱傳導和相變過程。它通常由管殼、吸液芯和端蓋組成，內部充注適量的工作液體。在不消耗外部能源的情況下快速傳遞熱量。熱管因其高效的熱傳導性能，被廣泛應用于各種需要有效散熱的領域，如航空航天器的熱控、電子設備的冷卻等。</p><p>盡管熱管在實際應用中已經展現出了其優越的性能，但在設計和優化過程中仍然面臨諸多挑戰。實驗測試雖然能夠提供真實的數據，但往往成本高昂且周期長。此外，實驗條件難以完全控制，可能會受到環境因素的影響。因此，仿真技術在熱管設計和優化過程中起到了至關重要的作用。</p><p><strong>熱管模擬仿真目的</strong></p><p>通過CFD技術模擬熱管的實際工作過程，以預測和優化其熱傳輸性能。仿真可以實現以下幾個目的：</p><p><strong>設計優化：</strong>基于仿真數據，可以調整熱管的幾何形狀、管徑、管長、翅片結構等關鍵參數，以最大化其熱傳輸效率。</p><p><strong>性能預測：</strong>通過CFD技術，可以預測熱管在不同工況下的溫度分布、壓力變化、傳熱效率以及響應速度等關鍵參數。</p><p><strong>流動與傳熱特性分析：</strong>揭示熱管內部的流體流動和傳熱特性，觀察到流體在熱管內的流動路徑、流速分布、壓力分布以及溫度分布等關鍵信息。</p><p><strong>穩定性與可靠性評估：</strong>評估熱管在不同運行條件下的穩定性和可靠性。包括長時間運行、負荷變化、環境變化等多種情況。</p><p><strong>熱管仿真的難點</strong></p><p><strong>物理模型復雜性：</strong>熱管仿真涉及到兩相流、多組分流動、相變現象、復雜的傳熱機制以及毛細力驅動的回流效應，這些都需要高精度的數學模型來描述。
展開 CFDPro熱管仿真 | 模擬熱管內部流動及傳熱傳質過程，優化熱傳輸性能
熱管作為一種高效的傳熱元件，其工作原理基于熱傳導和相變過程。它通常由管殼、吸液芯和端蓋組成，內部充注適量的工作液體。在不消耗外部能源的情況下快速傳遞熱量。熱管因其高效的熱傳導性能，被廣泛應用于各種需要有效散熱的領域，如航空航天器的熱控、電子設備的冷卻等。
盡管熱管在實際應用中已經展現出了其優越的性能，但在設計和優化過程中仍然面臨諸多挑戰。實驗測試雖然能夠提供真實的數據，但往往成本高昂且周期長。此外，實驗條件難以完全控制，可能會受到環境因素的影響。因此，仿真技術在熱管設計和優化過程中起到了至關重要的作用。
熱管模擬仿真目的
通過CFD技術模擬熱管的實際工作過程，以預測和優化其熱傳輸性能。仿真可以實現以下幾個目的：
設計優化：基于仿真數據，可以調整熱管的幾何形狀、管徑、管長、翅片結構等關鍵參數，以最大化其熱傳輸效率。
性能預測：通過CFD技術，可以預測熱管在不同工況下的溫度分布、壓力變化、傳熱效率以及響應速度等關鍵參數。
流動與傳熱特性分析：揭示熱管內部的流體流動和傳熱特性，觀察到流體在熱管內的流動路徑、流速分布、壓力分布以及溫度分布等關鍵信息。
穩定性與可靠性評估：評估熱管在不同運行條件下的穩定性和可靠性。包括長時間運行、負荷變化、環境變化等多種情況。
熱管仿真的難點
物理模型復雜性：熱管仿真涉及到兩相流、多組分流動、相變現象、復雜的傳熱機制以及毛細力驅動的回流效應，這些都需要高精度的數學模型來描述。
邊界條件設置：準確設定熱管兩端及壁面的熱通量、壓力、濕度等邊界條件是仿真結果準確性的關鍵，而在實際情況中這些條件可能會隨時間和空間變化。
微尺度效應：部分熱管內部結構具有微觀特征，如微槽、多孔介質等，這類微尺度效應對傳熱有顯著影響，但建模難度較大。
展開 一種具有低表面張力和優異熱導率的液態金屬熱界面材料
02
成果掠影
近期，天津理工大學趙云峰教授、蘇州泰吉諾新材料有限公司李兆強聯合河北工業大學鄧齊波教授在制備具有低表面張力和優異熱導率的LM取得新進展。高表面張力使得LM和填料難以很好地混合以制備用于熱界面應用的復合漿料。該團隊研究發現摻雜鎢(W)納米粒子可以使LM在氮化硼(BN)丸表面的接觸角從133°降低到105°，表明摻雜W納米粒子可以降低LM的表面張力。LM、W和BN的加入順序會影響復合材料的最終形態，而W納米粒子必須先與LM (LM+W)混合才能得到復合漿料(LM +W-BN)。相比之下，其他添加序列或不添加W納米顆粒只能得到復合粉末。LM +W-BN的導熱系數高達14.49 W/(mK)，并對LM +W-BN材料在壓力、高溫、熱沖擊和高濕條件下的穩定性進行了詳細研究，樣品具有良好的綜合性能。通過在發光二極管(LED)模塊中的應用，LM +W-BN漿料顯示出作為熱界面材料(TIM)的優異熱管理能力。這種方法也被擴展到其他導熱填料，包括碳纖維和石墨烯。這項工作提供了一種簡單的方法來降低LM表面張力，也可能使其他填料的結合，擴大LM的使用，如集成電路和柔性電子產品。研究成果以“Enhanced thermal conductivity of liquid metal composite with lower surface tension as thermal interface materials”為題發表于《jmr&t Journal of Materials Research and Technology》。
展開 提高金剛石/石墨烯異質結構界面的熱輸運
因此，熱管理和溫度控制顯著影響微電子器件的性能和發展。該領域的微觀尺度換熱備受關注，其中界面熱輸運占據了主導地位。
目前大量研究集中在界面傳熱上以及熱導率高的材料，從而能更好地促進微電子器件和散熱材料的發展。二維材料的熱性能及其異質結構是納米器件高效散熱的關鍵。尤其是二維石墨烯，由于其原子間的強鍵合，具有超高的導熱性。然而，石墨烯的內部聲子傳輸容易受到表面或邊緣擾動的影響。即與襯底接觸后，面內熱導率明顯降低。因此，對于石墨烯來說，選擇理想的襯底至關重要。盡管之前有很多研究試圖找到解決這個問題的方法，但并沒有取得突破性的進展。
石墨烯與襯底之間的界面熱阻極大地阻礙了其實際應用。傳統的剝離和轉移到襯底的操作總是會對石墨烯造成折疊和起皺。在基材表面進行原位生長是解決這一問題的更好選擇。金剛石作為碳的另一種同素異形體，在1500 ~ 1900℃的高溫真空退火下容易轉變為石墨。金剛石的C-C鍵長為14.5nm，石墨烯的C-C鍵長為14.2nm，兩者相差不超過2%。金剛石是作為基板的不錯選擇，可以減少石墨烯與基板接觸時的面外聲子散射，因為它們具有高度的結構相似性。然而，目前的研究還沒有揭示影響金剛石/石墨烯異質結構界面熱傳遞的因素，通過揭示熱傳遞的因素對于未來設計具有優異導熱系數的材料具有重大的指導意義。
02
成果掠影
近期，北京科技大學馮妍卉教授關于石墨烯與襯底之間界面熱阻問題的研究取得一定進展。該團隊基于非平衡分子動力學(NEMD)模擬，研究了金剛石/石墨烯異質結構界面熱輸運的影響因素，以及石墨烯層數和溫度對金剛石/石墨烯異質結構導熱系數的影響。
展開 提高金剛石/石墨烯異質結構界面的熱輸運
因此，熱管理和溫度控制顯著影響微電子器件的性能和發展。該領域的微觀尺度換熱備受關注，其中界面熱輸運占據了主導地位。
目前大量研究集中在界面傳熱上以及熱導率高的材料，從而能更好地促進微電子器件和散熱材料的發展。二維材料的熱性能及其異質結構是納米器件高效散熱的關鍵。尤其是二維石墨烯，由于其原子間的強鍵合，具有超高的導熱性。然而，石墨烯的內部聲子傳輸容易受到表面或邊緣擾動的影響。即與襯底接觸后，面內熱導率明顯降低。因此，對于石墨烯來說，選擇理想的襯底至關重要。盡管之前有很多研究試圖找到解決這個問題的方法，但并沒有取得突破性的進展。
石墨烯與襯底之間的界面熱阻極大地阻礙了其實際應用。傳統的剝離和轉移到襯底的操作總是會對石墨烯造成折疊和起皺。在基材表面進行原位生長是解決這一問題的更好選擇。金剛石作為碳的另一種同素異形體，在1500 ~ 1900℃的高溫真空退火下容易轉變為石墨。金剛石的C-C鍵長為14.5nm，石墨烯的C-C鍵長為14.2nm，兩者相差不超過2%。金剛石是作為基板的不錯選擇，可以減少石墨烯與基板接觸時的面外聲子散射，因為它們具有高度的結構相似性。然而，目前的研究還沒有揭示影響金剛石/石墨烯異質結構界面熱傳遞的因素，通過揭示熱傳遞的因素對于未來設計具有優異導熱系數的材料具有重大的指導意義。
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成果掠影
近期，北京科技大學馮妍卉教授關于石墨烯與襯底之間界面熱阻問題的研究取得一定進展。該團隊基于非平衡分子動力學(NEMD)模擬，研究了金剛石/石墨烯異質結構界面熱輸運的影響因素，以及石墨烯層數和溫度對金剛石/石墨烯異質結構導熱系數的影響。
展開 熱界面材料（TIM）近期熱文速覽
鏈接：doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.120807
總結：該文使用垂直排列的短切碳纖維(VASCFs)用于開發具有高導熱性的相變熱界面材料PCTIMs，VASCFs/PA/SR材料的導熱系數高達7.00 W/(m·K)，遠高于之前報道的PCTIMs。
Abstract: Phase change thermal interface materials (PCTIMs) are receiving increasing attention but suffer from low thermal conductivity and are challenging to improve significantly. Here, vertically aligned short-cut carbon fibers (VASCFs) were employed for the first time to develop PCTIMs with high thermal conductivity. The most effective thermal conductivity enhancement was achieved by VASCFs, which were attributed to providing complete heat transfer paths, further verified by the finite element simulation.
展開 
氮化硼納米片增強聚乙烯熱界面材料
熱界面材料(TIMs)是有效轉移或去除電子器件廢熱以避免器件因工作在過熱條件下而發生故障的重要和不可或缺的材料。然而，為了填充散熱器與TIM接觸面之間的細小氣隙，需要在高壓下進行壓縮過程，這可能會破壞電子電路的組件，無法完全填充大的氣隙。
熱熔膠(HMA)由于其能夠與大多數材料快速而牢固地結合，并且與其他TIMs相比易于操作，近年來作為解決上述問題的材料而引起了人們的關注。此外，在融化過程中，HMA具有高流動特性，可以充分填充散熱片接觸面存在的氣隙，提高傳熱效率，這是一個優勢，可以大大提高器件的性能和耐用性。
低密度聚乙烯(LDPE)因其優異的絕緣性能、較高的機械強度和良好的循環利用性能，是目前極具吸引力的HMA型TIMs聚合物基體之一。然而，盡管其具有優良的機械和化學性能，以及方便的操作過程，但其低的通平面導熱系數和較差的形狀穩定性阻礙了其作為TIM的實際應用可能性。
因此，許多研究開發了LDPE與六方氮化硼納米片(BNNS)相結合的高導熱復合材料，以在熔體粘附過程中實現高導熱和形狀穩定。然而，較強的化學鍵和強的范德華力會導致BNNS與LDPE的相容性較低，從而導致BNNS與LDPE界面處的相分離和重新聚集。因此，由于這些問題引起的熱阻增加，這可能會大大降低制備好的BNNS/LDPE復合材料的熱導率。如何解決BNNS與LDPE界面熱阻的問題是合成TIMs材料的關鍵問題。
02
成果掠影
韓國的Joong Hee Lee教授 和Ok-Kyung Park教授聯合在關于BNNS/LDPE聚合物復合材料的界面熱阻問題方向取得新進展。
展開 一種定向排列的三維氮化硼聚合物復合熱界面材料
來源 |
Journal of Colloid And Interface Science
01
背景介紹
隨著第五代通信、大功率集成芯片和鋰離子電池的發展，對散熱提出了更高的要求，促使對導熱絕緣熱界面材料(TIMs)的需求快速增長。高分子材料以其優異的可加工性、重量輕、成本低等特點受到人們的青睞。然而，聚合物的固有熱導率通常很低(0.1 ~ 0.5 W/mK)。采用具有高導熱性的填充材料是一種直接有效的策略，可以顯著提高聚合物的導熱性。
六方氮化硼(BN)是一種二維片層陶瓷材料，其面內導熱系數約為300 W/mK，面外導熱系數為30 W/mK。良好的電絕緣性使BN在電子設備的熱管理應用中具有獨特的優勢。然而，由于填料與聚合物基體之間存在較大的界面熱阻，采用傳統的直接共混方法得到的填料/聚合物復合材料的導熱系數通常不理想。在聚合物復合材料中構建三維連續導熱填充網絡已被證明是降低界面熱阻和促進聲子快速傳輸的有效策略，已受到廣泛關注。
此外，BN在整個聚合物中的垂直排列可以進一步充分利用BN良好的面內導熱性，使復合材料的縱向導熱性顯著增強，以滿足TIMs高效垂直散熱的需求。已經開發了各種方法來實現填料的垂直對齊，例如3D打印，外場控制，冰模板法等。通過定向凍結，填料沿著冰晶生長方向排列，形成三維互聯的垂直排列骨架，顯著增強了復合材料的導熱性。因此，開發一種更簡單、更具成本效益的冰模板工藝來實現BN的遠距離垂直有序排列，從而促進高性能TIMs的規模化生產是非常必要的。
展開 用于電子皮膚熱管理的超薄、柔性、輻射式冷卻界面
然而，柔性電路工作時會產生并積累焦耳熱，導致人體佩戴不舒適甚至面臨皮膚燒傷的風險。此外，戶外溫度、光線以及對流效應同樣會對柔性傳感系統的信號采集造成干擾。因此，開發可以與柔性電子設備良好結合的柔性材料，實現器件散熱、抗環境干擾等功能成為目前國際學界及工業界關注的前沿課題。現有的熱管理技術主要以基于熱傳導和熱對流的方式進行散熱，但是這些散熱模塊因為自身體積、重量以及剛性等限制而不適用于可穿戴柔性電子設備中。
02
成果掠影
香港城市大學于欣格/雷黨愿團隊開發了一種通用的熱管理策略，通過使用超薄、柔軟的輻射冷卻界面（USRI），該界面允許通過輻射和非輻射傳熱來冷卻皮膚電子設備中的溫度，從而實現大于56°C的溫度降低。USRI的輕質和固有的柔性使其能夠用作適形密封層，因此可以很容易地與皮膚電子設備集成。從而可以演示包括柔性電路的焦耳熱被動冷卻，提高表皮電子器件的工作效率，以及穩定皮膚界面無線光電體積描記傳感器的性能輸出。這些結果為在先進的皮膚界面電子設備中實現有效的熱管理提供了一條替代途徑，用于多功能和無線操作的醫療保健監測。該論文以“Ultrathin, soft, radiative cooling interfaces for advanced thermal management in skin electronics”為題發表于《Science Advances》。
03
圖文導讀
圖1 USRI 的設計。
圖2 USRI的結構和光學表征。
圖3 用于皮膚電子設備中導電互連的被動冷卻。
展開 一種基于高度垂直取向的熱界面材料
對于碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)，通過芯片底部的熱流密度已經從100-250 W/cm2急劇增加到1 kW/cm2。為了提高器件的性能和壽命，迫切需要具有高通平面導熱系數、柔軟度和電絕緣性的熱界面材料(TIMs)將產生的熱量高效地傳遞到散熱器。
目前，絕緣TIMs是通過隨機混合導熱和絕緣填料(如氧化鋁、氮化硼和氮化鋁)和聚合物(通常為有機硅)來獲得的，這導致導熱系數低于8 W/mK。更嚴重的是，過高的填充物含量會降低材料的柔軟性和回彈性，在實際應用中會阻礙芯片與散熱器之間的熱傳導。在相對較低填料含量的情況下，提出了一種高通平面導熱系數的策略是調節填料的垂直方向。
六方氮化硼(BN)由于其高導熱系數(面內TC ~400 W/mK與金屬一樣高，面外TC ~30 W/mK)、優異的電絕緣性能和高質量的量產性而成為一種很有前途的導熱填料。利用氮化硼薄片在聚合物中獲得高度垂直定向的氮化硼結構的方法有多種，如電場、磁場、膨脹流輔助方法、3D打印法、疊切法、凍鑄法。然而，BN片的垂直取向度較差，限制了BN-聚合物復合材料的面外導熱系數。
為了實現高度的定向，在制造過程中需要很大的外力來克服BN片的躍遷能壘，但BN片與聚合物分子摩擦產生的高粘度限制了其沿外力方向的旋轉和定向。因此，大多數研究采用大尺寸BN，加大外力，多外力協同作用來優化垂直方向。然而，由于目前還沒有關于BN膜填充聚合物復合材料的系統工作，因此對其通面熱導率仍然是未知的。
02
成果掠影
近期，北京大學白樹林老師針對解決現代電氣器件散熱用的具有高面外導熱系數，優異的柔軟性和電絕緣性對的TIMs取得最新進展。
展開 