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電子元器件受高溫環境“威脅”？不用怕，這些材料能用來做“隔熱衣”

文章來源：賢集網更新時間：2023-08-02 15:30:02

統計資料表明，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。如何解決在高溫環境下，電子元器件使用效能大打折扣的難題，成為研究焦點。

那么究竟要如何解決電子元器件遭遇高溫環境使用效能大打折扣的技術瓶頸呢？

近日，國際權威期刊《Advanced Materials》在線刊發了華中科技大學高亮教授團隊關于熱學超材料拓撲優化設計的最新研究成果“深度學習賦能的熱學超材料智能設計”。該成果有效突破了熱學超材料智能設計的技術瓶頸，設計了“熱隱衣”，可屏蔽外部溫度場對器件內部物體的干擾，實現主動隔熱，可用于熱敏元器件的熱防護。

熱學超材料設計涉及高維設計空間、多個局部極值，計算成本巨大，給熱學超材料的智能設計帶來了挑戰。針對上述挑戰，高亮團隊提出了深度學習賦能的熱學超材料拓撲優化設計方法，實現了自由形狀熱學超材料的智能設計。該方法采用深度生成模型，根據熱學超材料的定制功能需求，可自動、實時地生成具有目標熱傳導張量的拓撲功能單胞，進而快速生成熱學超材料。“基于上述思路，研究團隊設計了多種具有自由形狀、背景溫度獨立、全方向功能的熱隱身超材料，并通過數值仿真和熱學實驗驗證其良好的熱隱身效果。”高亮說。

研究工作為熱學超材料的智能設計提供了全新思路，可靈活實現不同背景材料、自由形狀和不同熱功能的熱學超材料的快速設計，解決傳統熱學超材料設計中大規模計算與反復優化迭代所帶來的計算效率低等難題，進一步推動熱學超材料在電子等多領域的工程應用。

通過對熱流的操控實現超常熱功能

近年來，科研人員通過合理設計材料的結構構型，獲得了具有超常物理性能的超材料。其中，熱學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域具有重要的應用潛力。

理論上講，通過設計熱學超材料的結構構型，可實現對熱流的操縱與控制，從而獲得熱隱身、熱集中、熱偽裝、熱旋轉等超常熱功能。

目前，實現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將元器件蓋起來，以隔絕外部的大部分熱。

上述研究團隊成員華中科技大學機械科學與工程學院教授肖蜜表示：“用于熱量屏蔽的材料主要包括以下幾種：納米復合材料、多孔陶瓷材料、碳納米管、自然材料混合的熱學超材料。”

該研究團隊提出了深度學習賦能的熱學超材料拓撲優化設計方法，實現了自由形狀熱學超材料的智能設計。

該方法采用深度生成模型，根據熱學超材料的定制功能需求，可自動、實時地生成具有目標熱傳導張量的拓撲功能單胞，進而快速生成熱學超材料。

基于該思路，研究團隊設計了熱隱身超材料，并通過數值仿真和熱學實驗，驗證了其具有良好的熱隱身功能。

該研究團隊設計的熱學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：通過優化設計材料的合理分布，讓熱量繞過特定區域從而實現熱量屏蔽。

高亮介紹，此項研究工作為熱學超材料的智能設計提供了全新思路，可靈活實現不同背景材料、自由形狀和不同熱功能的熱學超材料的快速設計，解決了傳統熱學超材料設計中大規模有限元計算與反復優化迭代所帶來的計算效率低的難題，進一步推動了熱學超材料在航空航天、電子等領域的工程應用。

在熱量屏蔽方面國內外取得一系列成果

當前，熱學超材料在熱量屏蔽方面的研究，國內外都取得了一些進展。

國際上，美國哈佛大學教授Narayana和Sato根據有效媒質理論，利用兩種不同熱導率的材料從內向外交替疊加，獲得等效的各向異性熱導率，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，德國科學院院士Wegener團隊通過在銅板上鉆孔并填充PDMS膠水，成功驗證了瞬態熱隱身超器件。新加坡南洋理工大學張百樂教授團隊通過精巧的三維金屬加工技術，首次成功制備了三維超薄熱隱身超器件。我國南方科技大學李保文教授和新加坡國立大學仇成偉教授團隊采用兩種各向同性材料實現了雙層熱隱身超器件設計與實驗驗證。浙江大學何賽靈教授團隊采用坐標變換方法在半導體硅上鉆孔，設計了熱電多場隱身超器件，實現了外部熱量和電流的屏蔽與防護。

盡管國外最先實現了熱隱身超器件的設計與制備，不過熱隱身超材料的概念最早是由我國復旦大學黃吉平教授團隊提出的。在2008年，他們提出變換熱學理論，首次預言了熱隱身超材料，該超材料可保護內部的物體免受外界熱量的干擾，且超材料本身不對外界產生任何的擾動。在此基礎上，黃吉平團隊又開展了大量研究：提出了非線性變換熱學理論、設計了宏觀熱二極管和環境溫差中零能耗保溫超器件等。

整體而言，國內外熱學超材料的研究并駕齊驅，處于并跑階段。

高亮說，熱學超材料可用于航空航天領域，減少航空航天結構的熱負荷；可用于能源裝備領域，提高設備的熱防護和熱利用效率；也可用于信息電子領域，改善熱敏電子器件的熱穩定性、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三維納米材料，具有低密度、高比表面積、高孔隙率、低導熱率等優異的特性。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，可限制氣態傳熱。復雜的納米孔結構增加了傳熱途徑，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熱系數極低的柔性隔熱保溫薄膜材料。該材料具有超低的導熱系數，同時具備優良的環保性、易裁剪等諸多特點，解決消費品產品在狹小空間的熱管理問題，對弱耐熱元件的隔熱保護問題，提升產品的性能及使用壽命，有效降低電子產品可能造成的用戶低溫燙傷。

特點：

厚度薄膜化、優良的絕緣性能、熱穩定、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、銅箔等散熱材料復合。

實際上，早在2018年戴爾xps-13款筆記本電腦中，就已經使用了氣凝膠隔熱膜作為電池的隔熱材料，通過對電子熱系統結構管理的設計，“一梳一堵”達到均溫降溫的效果，提升電子產品性能及使用壽命，提升用戶的使用體驗。

2、導熱硅脂

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

與傳統的導熱材料相比，導熱硅脂在導熱性能上具有顯著優勢，并能夠滿足不同電子設備的導熱需求。其還具有良好的穩定性、抗老化性能和耐高低溫性能，能夠在各種環境條件下發揮良好的導熱效果，從而延長設備的使用壽命。

在使用導熱硅脂時，需要注意選擇適合的材料型號和導熱系數，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境，以避免材料老化和性能下降。

綜上所述，導熱硅脂是一種理想的導熱材料，可以有效地解決電子設備因溫度過高而出現的問題。該材料具有高導熱性能、穩定性、耐高低溫性能等優點，為電子設備的穩定運行提供了有力支持。

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