新型多孔結構“柔性熱管”，破解柔性電子散熱難題！

熱設計 2025-10-30

來源：ACS Applied Materials&Interfaces

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

01 背景介紹

當你戴著智能手環(huán)監(jiān)測心率、用柔性屏手機折疊通話，或是在醫(yī)療場景中接觸可穿戴傳感設備時，是否想過這些 “bendable” 的黑科技背后，正面臨一個棘手難題 —— 散熱。隨著柔性電子技術的飛速發(fā)展，它已滲透到 wearable 科技、智能傳感、醫(yī)療設備甚至芯片設計等多個領域。近年來，柔性基板上集成的晶體管數(shù)量更是呈爆發(fā)式增長，比如有團隊在聚酰亞胺（PI）柔性基板上集成了 5.6 萬多個器件，研發(fā)出 32 位 Arm 微處理器；還有研究首次實現(xiàn)了可拉伸電子產品中 1000 多個晶體管的大規(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，也遭遇了嚴峻的熱管理挑戰(zhàn)。設備運行時產生的大量熱量，若不能及時消散，不僅會影響性能穩(wěn)定性，還可能縮短使用壽命，甚至引發(fā)安全隱患。

過去，科研人員嘗試用高導熱被動冷卻材料（如石墨烯、碳納米管）和輻射冷卻材料（如鋁摻雜氧化鋅）來應對。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)熱設備，亟需更高效的冷卻方案。

在眾多冷卻技術中，柔性熱管（HP）或柔性蒸汽室被認為是理想選擇，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℃以上高溫燒結銅顆粒制成，根本無法適配柔性基板。同時，具備優(yōu)異芯吸能力的功能表面結構（如納米線、多孔結構、微柱），雖能通過優(yōu)化毛細力與粘性阻力的平衡來強化傳熱，卻也存在局限：單層級結構只能在單一尺度下優(yōu)先考慮毛細效應或粘性阻力；雙層級結構制備工藝復雜，且難以實現(xiàn)流體傳輸?shù)臉O致優(yōu)化；現(xiàn)有少數(shù)多尺度層級結構，也因制備方法限制無法應用于柔性基板。如何在柔性基板上制備出能實現(xiàn)超快速毛細芯吸的多尺度復合結構，破解柔性電子的散熱困境？

02 成果掠影

近日，上海交通大學劉振宇團隊通過低溫（約 300℃）燒結法，利用自還原金屬前驅體，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多孔結構，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阻力，微孔表面覆蓋的納米乳頭狀凸起構建異質潤濕表面，借助疏水減阻與親水驅動力增強的協(xié)同作用，顯著提升毛細性能，突破了不同尺度下粘性阻力降低與毛細力增強難以兼顧的困境。相較于此前研究中最優(yōu)的微 / 納米吸液芯結構提升 9.1%；將其應用于柔性發(fā)光二極管（LED）被動冷卻，相比自然冷卻，溫度降低 35.9℃，冷卻效果最高達 35.1%，有效解決了柔性電子散熱難題。低溫燒結工藝避免了高溫對柔性基板的損傷，且制備過程無需復雜設備，為柔性吸液芯規(guī)?；瘧玫於ɑA。三層級結構協(xié)同優(yōu)化流體傳輸，在彎曲狀態(tài)下（彎曲角度 85.7°）芯吸性能進一步提升，同時多孔膜與柔性基板結合力強、具備良好延展性與耐磨性。該結構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開辟新路徑。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》。

網(wǎng)站末尾圖片.png