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背景介绍
随着第五代无线通信系统电子元件向小型化、精密化、高集成化方向发展，高计算能力带来的散热问题日益突出。开发高导热基板是解决这一问题的必要条件。聚合物由于其形状多样，工作温度范围宽，成本效益高，被广泛用作电子冷却基板。然而，聚合物的导热系数(λ)极低(~ 0.2 W/mK)，无法满足散热要求为了将聚合物的λ从~ 0.5提高到~ 2 W/mK，研究人员通过添加高λ值的导热填料进行了许多尝试。目前制备传统的高导热复合材料常用的方法是直接共混填料连接较少导致热性能略有增加，并且传热路径的形成需要极高的填料体积分数(>50 vol %)以进一步提高λ。在骨架中加入填料的高导热复合材料可以有效地以较低的体积分数达到较高的λ目前，为了进一步提高λ，利用聚合物基质构建高导热骨架的研究较多。在自然界中选择的一些结构类似于高导热复合材料。它们通常包括通道骨架和基质部分。因此，受自然结构的启发，通过仿生结构设计来制造具有显著性能的高导热复合材料越来越受到研究人员的重视。
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成果掠影
近日，北京理工大学何汝杰教授针对当下电子元件的高可计算性对高导热基板的耗散效率的问题研究取得最新进展。本文以自然界结构为灵感，首先通过拓扑优化算法设计叶脉状Al2O3骨架，并通过还原光聚合(VPP) 3D打印制造，然后与环氧树脂(EP)复合制备叶脉状生物杂化结构。该杂化结构具有较高的λ (14.65 W/mK，固相分数为40 vol %)，比纯EP高5585%，比相同固相量下随机分散Al2O3/EP复合材料高269%。此外，它还进一步显示了发光二极管(LED)冷却系统的冷却生态效率的高增强。与40 vol %随机分散Al2O3/EP复合材料相比，相同固相含量的叶脉状生物杂化结构使LED的工作温度降低了8.9℃。我们的策略作为一种可行的类型和大规模生产的仿生冷却基板具有巨大的潜力。研究成果以“3D Printed Leaf-Vein-Like Al2O3/EP Biohybrid Structures with Enhanced Thermal Conductivity”为题发表在《ACS Applied Materials&Interfaces》期刊。
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图文导读
图1 叶脉状冷板结构制备示意图
图2 不同固体体积分数的照片
图3 导热性能测试
图4 热管理性能测试
图5 LED散热实测
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