热管理材料2020盘点：科学前沿篇

1、Science特刊聚焦冷却技术，提供应对全球变暖新思路和新方案

温室气体的大量排放，让地球逐渐变暖，峰值温度和平均温度都在上升。受气候变化和经济状况改善的影响，对制冷的需求将会加剧。数据中心和新技术的冷却需求也需要创新的解决方案。开发一系列广泛的冷却策略将对人体舒适和预防热导致的医疗紧急情况至关重要。越来越多的材料和技术正在设计和改进，以满足数据中心和其他设施的温度需求，并减少有害物质排放。

2、一种高热性能的轻质石墨烯热管

查尔姆斯理工大学/上海大学刘建影研究组、复旦大学卢红斌研究组及合作者们以《A lightweight and high thermal performance graphene heat pipe》为题在Nano Select发表研究论文。文章报道了一种新型石墨烯增强热管，其内表面由纳米结构增强的高导热石墨烯组装膜制成，该热管的散热能力显著提高，可达到7230 W m−2K−1g−1，比铜基商用热管高出3.5倍左右。石墨烯增强热管在汽车电子、手持设备和空间电子等轻量化和大容量冷却系统应用领域提供方案途径。

3、辐射冷却型降温节能薄膜材料新进展

唐少春教授团队从三维结构设计入手，提出倒相法结合自沉积制备技术，成功获得了一种由微米孔聚合物单面定向富集SiO2微球构筑的新材料，其独特新结构赋予该材料优异的辐射降温性能；尤其是，该材料能够在金属、木材、塑料、纤维布料等不同基体表面沉积成膜实现高效降温节能，为高性能辐射冷却型被动降温材料的发展提供了新的思路；该材料在应用时不仅能够自支撑成膜，而且类似于涂料在基体表面粉刷，具有良好的工业化应用前景。相关研究成果以“3D Porous Polymer Film with Designed Pore Architecture and Auto-Deposited SiO2 for Highly Efficient Passive Radiative Cooling”为题发表在国际能源类期刊《Nano energy》上。

4、液态金属科技与工业的崛起：进展与机遇

常温液态金属及其衍生材料是近年来异军突起的新兴功能物质，该领域取得了一系列突破性发现，催生出诸多全新的材料创制与应用，被视为人类利用金属的第二次革命。本文扼要介绍了液态金属物质科学领域涌现出的若干典型进展、基础问题与工业应用范例，剖析现象背后的科学规律，具体包括：芯片冷却与能源利用、印刷电子学与增材制造（3D 打印）、生物材料学、柔性智能机器学。在此基础上，论述了提出“液态金属谷”的时代背景、发展液态金属新工业体系的基本途径，阐述了推进液态金属材料基因工程研究并构建相应数据库的重要意义。液态金属作为兼具基础探索与实际应用价值的重大科学、技术与工业前沿，发展前景广阔；相应研究有望促进人类物质文明进步、优化社会生产和生活方式，也将深刻影响中国乃至世界寻求新一代变革性科技与工业的进程。

5、芯片封装用导热聚合物

华东理工大学材料科学与工程学院吴唯教授课题组通过金属与陶瓷颗粒的设计、合成与组装，成功制备了新型杂化导热填料。这类填料在聚合物中构建导热网络的能力获得大幅提升，能够显著提高聚合物材料的导热性能，具有重要价值。该研究工作以“Highly thermally conductive polybenzoxazine composites based onboron nitride flakes deposited with copper particles”为题，在线发表在国际著名期刊Materials & Design上。

6、一天两篇《Science》介绍电热材料与技术成果

据估计，空调机组的数量到2040年将翻一番。全球约有20%的能源被制冷消耗。发展高效率且环境友好的新型能源系统是解决全球变暖和促进自然资源可持续利用的首要问题。传统的基于汽化压缩的制冷系统经过100年的发展，已经逼近了热力学极限。更加糟糕的是，它们排放了大量的温室气体，且噪音较大。

7、微流控-电子设计协同持续散热

散热的关键在于如何有效地处理电子器件产生的高热流量。通常，电子器件的电子技术(电气工程师设计)和冷却系统(机械工程师设计)是各自独立完成的。近期，洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员发明了全新的设计过程，将这两个设计步骤结合在一起：他们开发了一种集成微流体冷却技术的电子器件，能够有效散去晶体管产生的大量热。相关研究成果以“Co-designing electronics with microfluidics for more sustainable cooling”为题，发表于Nature期刊。

8、氮化硼智能热管理材料解决5G手机发烫

海南大学廖建和团队和中科院苏州纳米所张学同团队合作，开发出基于氮化硼气凝胶薄膜的智能热管理材料。研究成果以“NanoporousBoron Nitride Aerogel Film and Its Smart Composite with Phase Change Materials”为题发表在《ACSNano》期刊。5G时代，电子器件的小型化、集成化及智能化程度越来越高，也带来了热量密度的显著提升，对如手机、智能手表等5G电子设备的热管理系统提出了更高的要求。避免电子设备的高温对人体产生不适、有效控制电子设备的温度，是5G电子设备中热管理材料的重要作用。

9、新型桥接液滴热二极管

美国Virginia Tech机械工程学院副教授Jonathan B. Boreyko团队利用均热板汽液两相导热原理，开发了一种桥接-液滴热二极管（Bridging-Droplet Thermal Diode）热管理技术，它的导热效果是原来的近100倍，研究成果发表于《Advanced Functional Materials 》。Boreyko的团队利用微米厚度的绝缘垫片分隔两片铜片，在密封环境中制造了一个二极管，两片铜片之间有一个微小的间隙。第一块板设计有一个毛细芯结构来保持水，而另一块板涂有一层疏水层。毛细芯表面的水吸收热量蒸发成蒸汽。当蒸汽穿过狭窄的缝隙时，它冷却并在疏水一侧凝结成露珠。这些露珠长得足够大，足以“弥补”间隙，并被吸回毛细芯，再次启动这一过程。Boreyko说：“希望我们的桥滴二极管的单向传热使电子、飞机和航天器的智能热管理成为可能。”

10、生物启发柔性光子薄膜有效被动辐射冷却

上海交通大学周涵教授与范同祥教授团队及其合作者，以“Biologically inspired flexible photonic films for efficient passive radiative cooling”为题发表在《PNAS》。研究发现，长角甲虫（Neocerambyx Gigas）翅膀绒毛具有多级微纳结构，展现出色的温度调节能力，而后基于光掩膜的新方法，仿生制备出具有类似结构的柔性薄膜，实现被动式辐射降温技术，同时也实现辐射降温薄膜的宏量制备。

11、石墨烯-碳复合热管理材料在航空航天/微电子领域应用研究

哈尔滨工业大学航天学院复合材料与结构研究所彭庆宇 教授与赫晓东 教授团队（同为通讯作者）研究人员以“Graphene–Carbon Composite Films as Thermal Management Materials”为题发表在《ACS Appl. Nano Mater》期刊，研究通过在氧化石墨烯（GO）和聚酰亚胺（PI）之间形成交联，然后通过热压氧化预处理，热压碳化和石墨化制备石墨化的石墨烯薄膜。研究表明，石墨化还原氧化石墨烯/聚酰亚胺（g-rGO/PI）薄膜不仅具有优良的力学性能，杨氏模量为15.3±1gpa，拉伸强度为142±11mpa，热导率和导电率分别为1467±55W/mk和1.8×105s/m。因此，这些石墨烯-碳复合薄膜由于其结构的优化和性能的提高，在航空航天和微电子领域显示出巨大的应用潜力。

12、可应用于散热的镍基纳米厚石墨薄膜

KAUST的 Geetanjali Deokar等研究人员以《Fast, wafer-scale growth of a nanometer-thick graphite film on Ni foil and its structural analysis》为题在《Nanotechnology》发文，公布了一种制造石墨膜的快速高效方法。这种被改良的碳材料不仅有望成为理想的电子设备散热材料，还可以用于气体传感器和太阳能电池。研究团队使用化学气相沉积技术（CVD），在镍箔上“培养”出了纳米级石墨薄膜（NGF），900℃的反应温度下，5分钟可生长~100nm厚的石墨薄膜，同时还揭示了NGF的局部厚度变化与Ni表面形貌和晶粒特性的关系。NGF会在镍箔两面“生长”，最终面积可以达到55cm2，可采用湿法化学腐蚀方法成功地将NGF转移到SiO2/Si衬底上，无需聚合物层提供支撑。（迁移方法可参考文章 Semi-transparent graphite films growth on Ni and their double-sided polymer-free transfer，https://doi.org/10.1038/s41598-020-71435-7）。