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电子元器件受高温环境“威胁”？不用怕，这些材料能用来做“隔热衣”

文章来源：贤集网更新时间：2023-08-02 15:30:02

统计资料表明，温度每升高2℃，电子元器件可靠性下降10%。降低电子元器件工作时的温度，对提高可靠性、精密度及使用寿命都具有重要意义。如何解决在高温环境下，电子元器件使用效能大打折扣的难题，成为研究焦点。

那么究竟要如何解决电子元器件遭遇高温环境使用效能大打折扣的技术瓶颈呢？

近日，国际权威期刊《Advanced Materials》在线刊发了华中科技大学高亮教授团队关于热学超材料拓扑优化设计的最新研究成果“深度学习赋能的热学超材料智能设计”。该成果有效突破了热学超材料智能设计的技术瓶颈，设计了“热隐衣”，可屏蔽外部温度场对器件内部物体的干扰，实现主动隔热，可用于热敏元器件的热防护。

热学超材料设计涉及高维设计空间、多个局部极值，计算成本巨大，给热学超材料的智能设计带来了挑战。针对上述挑战，高亮团队提出了深度学习赋能的热学超材料拓扑优化设计方法，实现了自由形状热学超材料的智能设计。该方法采用深度生成模型，根据热学超材料的定制功能需求，可自动、实时地生成具有目标热传导张量的拓扑功能单胞，进而快速生成热学超材料。“基于上述思路，研究团队设计了多种具有自由形状、背景温度独立、全方向功能的热隐身超材料，并通过数值仿真和热学实验验证其良好的热隐身效果。”高亮说。

研究工作为热学超材料的智能设计提供了全新思路，可灵活实现不同背景材料、自由形状和不同热功能的热学超材料的快速设计，解决传统热学超材料设计中大规模计算与反复优化迭代所带来的计算效率低等难题，进一步推动热学超材料在电子等多领域的工程应用。

通过对热流的操控实现超常热功能

近年来，科研人员通过合理设计材料的结构构型，获得了具有超常物理性能的超材料。其中，热学超材料作为超材料的一种，在能源高效利用、电子功率元器件热管理等领域具有重要的应用潜力。

理论上讲，通过设计热学超材料的结构构型，可实现对热流的操纵与控制，从而获得热隐身、热集中、热伪装、热旋转等超常热功能。

目前，实现电子元器件热隐身功能，就是把热隐身超材料放在元器件四周或将元器件盖起来，以隔绝外部的大部分热。

上述研究团队成员华中科技大学机械科学与工程学院教授肖蜜表示：“用于热量屏蔽的材料主要包括以下几种：纳米复合材料、多孔陶瓷材料、碳纳米管、自然材料混合的热学超材料。”

该研究团队提出了深度学习赋能的热学超材料拓扑优化设计方法，实现了自由形状热学超材料的智能设计。

该方法采用深度生成模型，根据热学超材料的定制功能需求，可自动、实时地生成具有目标热传导张量的拓扑功能单胞，进而快速生成热学超材料。

基于该思路，研究团队设计了热隐身超材料，并通过数值仿真和热学实验，验证了其具有良好的热隐身功能。

该研究团队设计的热学超材料由自然材料混合而成，但具备自然材料不具有的超常热性能，而且超材料内部的自然材料通常是不均匀分布，且各向异性的。

肖蜜说，这类材料屏蔽热量的原理是：通过优化设计材料的合理分布，让热量绕过特定区域从而实现热量屏蔽。

高亮介绍，此项研究工作为热学超材料的智能设计提供了全新思路，可灵活实现不同背景材料、自由形状和不同热功能的热学超材料的快速设计，解决了传统热学超材料设计中大规模有限元计算与反复优化迭代所带来的计算效率低的难题，进一步推动了热学超材料在航空航天、电子等领域的工程应用。

在热量屏蔽方面国内外取得一系列成果

当前，热学超材料在热量屏蔽方面的研究，国内外都取得了一些进展。

国际上，美国哈佛大学教授Narayana和Sato根据有效媒质理论，利用两种不同热导率的材料从内向外交替叠加，获得等效的各向异性热导率，首次制备了热隐身超器件，掀起了热隐身超材料的研究热潮。

此后，德国科学院院士Wegener团队通过在铜板上钻孔并填充PDMS胶水，成功验证了瞬态热隐身超器件。新加坡南洋理工大学张百乐教授团队通过精巧的三维金属加工技术，首次成功制备了三维超薄热隐身超器件。我国南方科技大学李保文教授和新加坡国立大学仇成伟教授团队采用两种各向同性材料实现了双层热隐身超器件设计与实验验证。浙江大学何赛灵教授团队采用坐标变换方法在半导体硅上钻孔，设计了热电多场隐身超器件，实现了外部热量和电流的屏蔽与防护。

尽管国外最先实现了热隐身超器件的设计与制备，不过热隐身超材料的概念最早是由我国复旦大学黄吉平教授团队提出的。在2008年，他们提出变换热学理论，首次预言了热隐身超材料，该超材料可保护内部的物体免受外界热量的干扰，且超材料本身不对外界产生任何的扰动。在此基础上，黄吉平团队又开展了大量研究：提出了非线性变换热学理论、设计了宏观热二极管和环境温差中零能耗保温超器件等。

整体而言，国内外热学超材料的研究并驾齐驱，处于并跑阶段。

高亮说，热学超材料可用于航空航天领域，减少航空航天结构的热负荷；可用于能源装备领域，提高设备的热防护和热利用效率；也可用于信息电子领域，改善热敏电子器件的热稳定性、提高其使用寿命等。

电子原件屏蔽热还有哪些材料能做到？

1、气凝胶

SiO2气凝胶是一种高分散固态三维纳米材料，具有低密度、高比表面积、高孔隙率、低导热率等优异的特性。相较于其他隔热材料，气凝胶纳米级的孔径明显小于空气分子的平均自由程，可限制气态传热。复杂的纳米孔结构增加了传热途径，从而降低固体传热。

AG-ST-SD气凝胶隔热膜

是将SiO2气凝胶粉体通过特有的工艺制备而成的一种导热系数极低的柔性隔热保温薄膜材料。该材料具有超低的导热系数，同时具备优良的环保性、易裁剪等诸多特点，解决消费品产品在狭小空间的热管理问题，对弱耐热元件的隔热保护问题，提升产品的性能及使用寿命，有效降低电子产品可能造成的用户低温烫伤。

特点：

厚度薄膜化、优良的绝缘性能、热稳定、低蓄热、柔软、不掉粉；

材料成卷，可满足圆刀、平刀等多种模切加工；

可与PET\PI膜、石墨片、铜箔等散热材料复合。

实际上，早在2018年戴尔xps-13款笔记本电脑中，就已经使用了气凝胶隔热膜作为电池的隔热材料，通过对电子热系统结构管理的设计，“一梳一堵”达到均温降温的效果，提升电子产品性能及使用寿命，提升用户的使用体验。

2、导热硅脂

导热硅脂是一种具有高导热性能的膏状物体，不具流淌性、基本不会固化，还具有非常好的隔热性能和导热性能。在电子设备中，导热硅脂可以有效地填充散热器和电子元器件的中空部分，将热量从高温区域传递到散热器并迅速散发，从而保持设备的正常运行温度。

与传统的导热材料相比，导热硅脂在导热性能上具有显著优势，并能够满足不同电子设备的导热需求。其还具有良好的稳定性、抗老化性能和耐高低温性能，能够在各种环境条件下发挥良好的导热效果，从而延长设备的使用寿命。

在使用导热硅脂时，需要注意选择适合的材料型号和导热系数，并掌握正确的施工方法。此外，在存放过程中需要避免阳光曝晒和高温环境，以避免材料老化和性能下降。

综上所述，导热硅脂是一种理想的导热材料，可以有效地解决电子设备因温度过高而出现的问题。该材料具有高导热性能、稳定性、耐高低温性能等优点，为电子设备的稳定运行提供了有力支持。

原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_530543.html
来源：贤集网
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