來自大自然，3D打印仿生葉脈狀鋁基板

熱設計 2024-10-16

來源：ACS Applied Materials&Interfaces

原文：https://doi.org/10.1021/acsami.4c14564

01 背景介紹

隨著第五代無線通信系統電子元件向小型化、精密化、高集成化方向發展，高計算能力帶來的散熱問題日益突出。開發高導熱基板是解決這一問題的必要條件。聚合物由于其形狀多樣，工作溫度范圍寬，成本效益高，被廣泛用作電子冷卻基板。然而，聚合物的導熱系數(λ)極低(~ 0.2 W/mK)，無法滿足散熱要求為了將聚合物的λ從~ 0.5提高到~ 2 W/mK，研究人員通過添加高λ值的導熱填料進行了許多嘗試。目前制備傳統的高導熱復合材料常用的方法是直接共混填料連接較少導致熱性能略有增加，并且傳熱路徑的形成需要極高的填料體積分數(>50 vol %)以進一步提高λ。在骨架中加入填料的高導熱復合材料可以有效地以較低的體積分數達到較高的λ目前，為了進一步提高λ，利用聚合物基質構建高導熱骨架的研究較多。在自然界中選擇的一些結構類似于高導熱復合材料。它們通常包括通道骨架和基質部分。因此，受自然結構的啟發，通過仿生結構設計來制造具有顯著性能的高導熱復合材料越來越受到研究人員的重視。

02 成果掠影

近日，北京理工大學何汝杰教授針對當下電子元件的高可計算性對高導熱基板的耗散效率的問題研究取得最新進展。本文以自然界結構為靈感，首先通過拓撲優化算法設計葉脈狀Al2O3骨架，并通過還原光聚合(VPP) 3D打印制造，然后與環氧樹脂(EP)復合制備葉脈狀生物雜化結構。該雜化結構具有較高的λ (14.65 W/mK，固相分數為40 vol %)，比純EP高5585%，比相同固相量下隨機分散Al2O3/EP復合材料高269%。此外，它還進一步顯示了發光二極管(LED)冷卻系統的冷卻生態效率的高增強。與40 vol %隨機分散Al2O3/EP復合材料相比，相同固相含量的葉脈狀生物雜化結構使LED的工作溫度降低了8.9℃。我們的策略作為一種可行的類型和大規模生產的仿生冷卻基板具有巨大的潛力。研究成果以“3D Printed Leaf-Vein-Like Al2O3/EP Biohybrid Structures with Enhanced Thermal Conductivity”為題發表在《ACS Applied Materials&Interfaces》期刊。