◎本報(bào)記者 吳純新 通訊員 高 翔
【資料圖】
統(tǒng)計(jì)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(shí)的溫度，對(duì)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(duì)設(shè)計(jì)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(chǎng)對(duì)器件內(nèi)部物體的干擾，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)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(guó)際期刊《先進(jìn)材料》。
通過(guò)對(duì)熱流的操控實(shí)現(xiàn)超常熱功能
近年來(lái)，科研人員通過(guò)合理設(shè)計(jì)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(guò)設(shè)計(jì)熱學(xué)超材料的結(jié)構(gòu)構(gòu)型，可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(lái)，以隔絕外部的大部分熱。
上述研究團(tuán)隊(duì)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。”
該研究團(tuán)隊(duì)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(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了自由形狀熱學(xué)超材料的智能設(shè)計(jì)。
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(dòng)、實(shí)時(shí)地生成具有目標(biāo)熱傳導(dǎo)張量的拓?fù)涔δ軉伟M(jìn)而快速生成熱學(xué)超材料。
基于該思路，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了熱隱身超材料，并通過(guò)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(duì)設(shè)計(jì)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(shuō)，這類材料屏蔽熱量的原理是：通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)材料的合理分布，讓熱量繞過(guò)特定區(qū)域從而實(shí)現(xiàn)熱量屏蔽。
在熱量屏蔽方面國(guó)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(guó)內(nèi)外都取得了一些進(jìn)展。
國(guó)際上，美國(guó)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(guó)科學(xué)院院士Wegener團(tuán)隊(duì)通過(guò)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(lè)教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)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(guó)南方科技大學(xué)李保文教授和新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授團(tuán)隊(duì)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(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。浙江大學(xué)何賽靈教授團(tuán)隊(duì)采用坐標(biāo)變換方法在半導(dǎo)體硅上鉆孔，設(shè)計(jì)了熱電多場(chǎng)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?chē)?guó)外最先實(shí)現(xiàn)了熱隱身超器件的設(shè)計(jì)與制備，不過(guò)熱隱身超材料的概念最早是由我國(guó)復(fù)旦大學(xué)黃吉平教授團(tuán)隊(duì)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(duì)外界產(chǎn)生任何的擾動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，黃吉平團(tuán)隊(duì)又開(kāi)展了大量研究：提出了非線性變換熱學(xué)理論、設(shè)計(jì)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(guó)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(shuō)，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(duì)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(jì)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(guò)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(wèn)題是關(guān)鍵。目前，熱學(xué)超材料制備成本相對(duì)較高，限制了其應(yīng)用范圍。
高亮表示，總的來(lái)說(shuō)，熱學(xué)超材料產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有較多技術(shù)問(wèn)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(huì)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(lái)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(huì)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(shí)引導(dǎo)背景熱流避開(kāi)被保護(hù)的物體，無(wú)論隱身區(qū)域溫度如何變化，都不會(huì)對(duì)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(kāi)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。基于同樣的引導(dǎo)熱流原理，熱旋轉(zhuǎn)器的引導(dǎo)對(duì)象由背景換到了核心區(qū)域，通過(guò)材料設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)中心區(qū)域熱流的變換引導(dǎo)。從外部觀測(cè)中心區(qū)域紅外特征，就像整個(gè)空間旋轉(zhuǎn)了一個(gè)特定角度，從而出現(xiàn)一類海市蜃樓般的現(xiàn)象。
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