来源 | Advanced Functional Materials

链接 | https://doi.org/10.1002/adfm.202512421

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背景介绍

小型化、高集成度和强大电子设备的开发需要优化的热管理解决方案，在不移动组件的情况下实现主动热流切换，这是一种超越传统热界面材料（TIM）的功能。热流控制方法主要依赖于机械部件，如热超材料和主动冷却设备，这增加了系统的复杂性，并限制了设备的小型化和集成。与用于电流调节的电气开关类似，热开关或二极管通过开关操作控制热流路径的传导和中断，为热流调节提供了非机械方法。然而，高性能热开关的开发面临两个基本挑战：热流的可控性相对较低，受到材料响应速度的限制 ;在“开”状态下实现高导热性和在“关”状态下实现有效绝热仍然特别困难。

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成果掠影

近日，南方科技大学朱桂妹、张炯炯、韦宝杰开发了一种柔性复合TIM，能够实现磁场触发的热流方向变化，即TIM有效地充当热开关。该材料由液态金属@镍（LM@Ni）网络和嵌在聚二甲基硅氧烷（PDMS）基质中的金刚石(D)微粒组成。LM@Ni实现了在PDMS上的增强的润湿性和磁响应性，而金刚石提供了具有高固有热导率的复合材料（13.92 W/m.K）。在施加磁场时，复合材料经历快速变形，产生“开”或“关”状态，切换比为22。通过将材料与弹性热组件集成，成功实现了全固态弹热制冷循环，制冷功率达到81 W/m²，制热功率达到77 W/m²。这项工作不仅扩展了TIM的应用范围，而且将紧凑型固态制冷与高效的热管理结合起来，为智能热管理应用中的TIM建立了新的范例。研究成果以“A Flexible Thermal Interface Material as the Heat Switch for Solid-State Cooling”为题发表《Advanced Functional Materials》上。

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图文导读

图1.制备和表征。a）制备过程的示意图; B）D/LM/PDMS-4的显微CT图像，显示LM@Ni在材料内的分布; c）和d）分别是D/LM/PDMS-4的横截面SEM图像和EDS图像; e）D/LM/PDMS的拉伸断裂横截面的SEM图像; f）LM和Ni结合之前和之后LM在PDMS表面上的接触角g）LM、Ni和LM@Ni的XRD光谱（绿色菱形表示Ga 3 Ni 2的特征峰，橙子圆圈表示In 3 Ni 2的特征峰）; h）PDMS、LM/PDMS、D/LM/PDMS-4和D/PDMS的杨氏模量和拉伸强度;

图2.复合材料的热性能。a）PDMS、LM/PDMS、D/LM/PDMS-4和D/PDMS在室温下的热导率; B）具有不同金刚石和LM@Ni含量的D/LM/PDMS的热导率随温度的变化; c）当使用D/LM/PDMS-4、Laird-SF 840和PDMS作为TIM时LED表面的红外成像温度图; d）具有固定的热端和冷端的D/LM/PDMS-4温度扩散装置的示意图，沿着相应的红外成像; e）在分段点处随时间的温度变化; f）和g）分别是在相同的Comsol模拟条件下LM/PDMS、D/PDMS和D/LM/PDMS-4内部的温度和热通量分布。

图3.实现全固态弹热冷却的应用演示。a）磁响应热开关的原理图设计（黑点表示热电偶测量点）;开关在B）“开”状态和在c）“关”状态时相应结构的温度变化曲线; d）在不同应力下热源和热沉处的温差随时间的变化; e）在不同应力下系统的制冷温度跨度; f）在不同应力下的吸热和放热; g）系统的相应冷却和加热功率; h）弹性热冷却系统中的热交换过程的示意图，包括四个关键步骤：应力加载、热释放、应力卸载、热吸收。