新型多孔結(jié)構(gòu)“柔性熱管”，破解柔性電子散熱難題！

熱設(shè)計(jì) 2025-10-30

來(lái)源：ACS Applied Materials&Interfaces

鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.4c16929

01 背景介紹

當(dāng)你戴著智能手環(huán)監(jiān)測(cè)心率、用柔性屏手機(jī)折疊通話，或是在醫(yī)療場(chǎng)景中接觸可穿戴傳感設(shè)備時(shí)，是否想過(guò)這些 “bendable” 的黑科技背后，正面臨一個(gè)棘手難題 —— 散熱。隨著柔性電子技術(shù)的飛速發(fā)展，它已滲透到 wearable 科技、智能傳感、醫(yī)療設(shè)備甚至芯片設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域。近年來(lái)，柔性基板上集成的晶體管數(shù)量更是呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，比如有團(tuán)隊(duì)在聚酰亞胺（PI）柔性基板上集成了 5.6 萬(wàn)多個(gè)器件，研發(fā)出 32 位 Arm 微處理器；還有研究首次實(shí)現(xiàn)了可拉伸電子產(chǎn)品中 1000 多個(gè)晶體管的大規(guī)模集成。

然而，和傳統(tǒng)硅基芯片一樣，柔性電子朝著高集成度、微型化方向發(fā)展的同時(shí)，也遭遇了嚴(yán)峻的熱管理挑戰(zhàn)。設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的大量熱量，若不能及時(shí)消散，不僅會(huì)影響性能穩(wěn)定性，還可能縮短使用壽命，甚至引發(fā)安全隱患。

過(guò)去，科研人員嘗試用高導(dǎo)熱被動(dòng)冷卻材料（如石墨烯、碳納米管）和輻射冷卻材料（如鋁摻雜氧化鋅）來(lái)應(yīng)對(duì)。這些材料雖能在一定程度上將熱量散發(fā)到環(huán)境中，但面對(duì)日益提升的功率密度和集成度，僅靠它們已難以滿足散熱需求。像柔性高功率 LED、柔性微處理器這類高發(fā)熱設(shè)備，亟需更高效的冷卻方案。

在眾多冷卻技術(shù)中，柔性熱管（HP）或柔性蒸汽室被認(rèn)為是理想選擇，但其核心部件 —— 多孔吸液芯的制備，卻成了 “攔路虎”。傳統(tǒng)多孔吸液芯需在 1000℃以上高溫?zé)Y(jié)銅顆粒制成，根本無(wú)法適配柔性基板。同時(shí)，具備優(yōu)異芯吸能力的功能表面結(jié)構(gòu)（如納米線、多孔結(jié)構(gòu)、微柱），雖能通過(guò)優(yōu)化毛細(xì)力與粘性阻力的平衡來(lái)強(qiáng)化傳熱，卻也存在局限：?jiǎn)螌蛹?jí)結(jié)構(gòu)只能在單一尺度下優(yōu)先考慮毛細(xì)效應(yīng)或粘性阻力；雙層級(jí)結(jié)構(gòu)制備工藝復(fù)雜，且難以實(shí)現(xiàn)流體傳輸?shù)臉O致優(yōu)化；現(xiàn)有少數(shù)多尺度層級(jí)結(jié)構(gòu)，也因制備方法限制無(wú)法應(yīng)用于柔性基板。如何在柔性基板上制備出能實(shí)現(xiàn)超快速毛細(xì)芯吸的多尺度復(fù)合結(jié)構(gòu)，破解柔性電子的散熱困境？

02 成果掠影

近日，上海交通大學(xué)劉振宇團(tuán)隊(duì)通過(guò)低溫（約 300℃）燒結(jié)法，利用自還原金屬前驅(qū)體，在柔性聚酰亞胺（PI）薄膜上成功制備出包含中裂紋、微孔與納米乳頭狀凸起的三層級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，可作為柔性多孔吸液芯。其中，中裂紋作為主要水流通道降低流動(dòng)阻力，微孔表面覆蓋的納米乳頭狀凸起構(gòu)建異質(zhì)潤(rùn)濕表面，借助疏水減阻與親水驅(qū)動(dòng)力增強(qiáng)的協(xié)同作用，顯著提升毛細(xì)性能，突破了不同尺度下粘性阻力降低與毛細(xì)力增強(qiáng)難以兼顧的困境。相較于此前研究中最優(yōu)的微 / 納米吸液芯結(jié)構(gòu)提升 9.1%；將其應(yīng)用于柔性發(fā)光二極管（LED）被動(dòng)冷卻，相比自然冷卻，溫度降低 35.9℃，冷卻效果最高達(dá) 35.1%，有效解決了柔性電子散熱難題。低溫?zé)Y(jié)工藝避免了高溫對(duì)柔性基板的損傷，且制備過(guò)程無(wú)需復(fù)雜設(shè)備，為柔性吸液芯規(guī)?；瘧?yīng)用奠定基礎(chǔ)。三層級(jí)結(jié)構(gòu)協(xié)同優(yōu)化流體傳輸，在彎曲狀態(tài)下（彎曲角度 85.7°）芯吸性能進(jìn)一步提升，同時(shí)多孔膜與柔性基板結(jié)合力強(qiáng)、具備良好延展性與耐磨性。該結(jié)構(gòu)成功解決了柔性熱管與蒸汽室多孔吸液芯的制備難題，為柔性電子冷卻技術(shù)開(kāi)辟新路徑。研究成果“Three-Tier Hierarchical Porous Structure with Ultrafast Capillary Transport for Flexible Electronics Cooling”為題發(fā)表在《ACS Applied Materials&Interfaces》。

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