设计可以抑制过热提高软电子的性能

导读对于某些人来说,仅仅提到液态金属就可能会让人想到T-1000:变形的、几乎无敌的恶棍,在终结者2中对人类未来的救世主施加压力。但对于内布

对于某些人来说,仅仅提到液态金属就可能会让人想到T-1000:变形的、几乎无敌的恶棍,在“终结者2”中对人类未来的救世主施加压力。

但对于内布拉斯加大学林肯分校的EricMarkvicka及其同事来说,在可穿戴技术、软机器人和其他微电子封装应用中,这种物质的液滴正在成为散热和防止过热的主角。

“随着计算能力的提高,散热成为越来越重要的因素,”机械和材料工程助理教授Markvicka说。

不帮忙?事实上,许多可穿戴设备和其他智能技术都采用了可延展的弹性材料,这些材料既减轻了重量,又增加了舒适度,但同时也能吸收热量。为了解决这个问题,Markvicka和其他工程师已经尝试用液态金属液滴加载绝缘材料,这些液滴可以自然地导热,从而可以将热量从产生热量的微电子设备中带走。

这种方法在一定程度上奏效了。然而,在那一刻出现了一个发人深省的认识:虽然液态金属液滴确实提高了导热性,但它们的密度——以及真正提高导热性所需的数量——也会增加不切实际的重量。

热导率和密度之间的拉锯战让工程师们陷入了停顿。但在一项新研究中,Markvicka的团队表明,将基于镓的液滴嵌入有机硅材料-并且至关重要的是,将这些液滴嵌入中空玻璃的微观球体-可以在不牺牲材料的轻巧柔韧性的情况下保持散热的增强。

Markvicka说:“它仍然柔软且具有弹性,但具有接近某些刚性金属(如钛或不锈钢)的热导率,其密度约为这些金属的一半。”“这种特性的结合使材料变得独特而有趣。”

在对玻璃微球进行试验时,研究人员测试了不同版本的硅树脂,其液态金属液滴容纳了不同体积的中空玻璃,从0%到50%。体积增加50%导致材料的整体密度降低35%,导热率仅下降14%,后者已经从比缺乏液态金属的硅胶更高的基线开始。

这一成就本身就足以让工程师们欢呼雀跃。然而,Markvicka、博士生顾问EthanKrings和他们的同事们还没有完成。在先前建模工作的帮助下,内布拉斯加州团队随后开发了Markvicka所描述的“轮廓图”,以指导依赖该团队的俄罗斯套娃方法的软材料的未来裁剪。

在开发地图时,该团队正在将其实验所揭示的内容正式化:精心设计的工程可以摆脱聚合物通常相互交织的特性,从而对材料的性能进行无与伦比的控制。

地图的一个轴代表材料中液态金属液滴的体积;另一个轴量化液滴中玻璃微球的体积。地图显示,仅修改玻璃微球的体积就可以改变材料的密度,同时几乎完全保持热导率不变。同时,修改玻璃和液态金属的比例可以在不影响密度的情况下改变热导率。

“因此,我们已经能够证明我们现在可以独立控制这些复合材料的热导率和密度,这是以前从未有过的,”Markvicka说,他的团队在Small杂志上详细介绍了其概念证明。

研究人员通过制造该大学内布拉斯加州N的几种硅胶版本进一步证明了这种控制。每个版本都有不同的密度,事实证明,密度最大的沉到充满液体的圆柱体底部,密度最小的漂浮在圆柱体的底部。顶部,一个中等密度的版本漂浮在两者之间。尽管它们的密度各不相同,但当电流通过植入其中的加热元件传导时,N的散热速度大致相同。

Markvicka看到了一种柔软但导热的材料可以通过多种方式使新兴技术受益。他说,首先,它可以帮助缓解挤入可穿戴技术的微电子计算能力的限制,为获得更快、功能更多的设备铺平道路。

包括计算机和游戏机在内的大规模数字技术的工程师在制作所谓的接口材料时也可能会发现它很有用,这些材料将大量热量从处理器转移到液体冷却剂。例如,PlayStation5控制台已经为此目的使用了液态金属。

Markvicka说,除此之外,还有明显的体温调节服装应用,它可以监测穿着者的皮肤温度,然后相应地提供或去除热量。

“许多大型工具公司都有这些加热夹克和装备,以帮助工人在寒冷的环境中保持温暖,”他说。“这种材料可以作为被动散热器,在整个夹克中实现更均匀的加热并消除热点,而不会限制穿着者的运动。

“与人体相互作用的任何东西,都可以应用这种材料。”

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