来源 | Advanced Materials

链接 | https://doi.org/10.1002/adma.202509005

01

背景介绍

随着电子设备在现代信息时代中扮演越来越重要的角色，其性能和集成度不断提升，但由此产生的热量积累也日益严重。据统计，超过50%的电子设备故障源于热管理不足。当前的热管理技术往往需要占用大量空间或消耗可观功率，不仅限制了系统集成度，还可能影响设备的电磁性能，如工作带宽和效率。此外，散热与保温机制在本质上相互矛盾，传统方法难以在不牺牲性能的前提下实现两者的动态切换，这成为高密度集成电子系统发展中的一大挑战。

02

成果掠影

近日，吉林大学张永来教授、韩冬冬教授、徐速教授合作提出了一种零功耗自适应的机械超表面，可实现电子设备的双模式热管理。该超表面由液晶弹性体与铜组成的周期性单元构成，利用材料间的热驱动应变失配，实现随温度变化的结构重构。这种热-机械转换机制能够被动地将多余热量转化为机械能，从而在不消耗额外功率的情况下，为多种电子设备提供高效的热管理。研究还通过设计深亚波长单元结构，在Vivaldi天线上验证了机械重构与电磁功能之间的解耦，确保了在自适应热管理过程中电磁性能的稳定；实验已在智能手机（CPU 温度从 100°C 降至 74.7°C）、功率放大器等设备验证其效果，为高密度集成电子设备热管理提供了多物理域（热、机械、电磁）融合的新方案。研究成果“Self-Adaptive Mechanical Metasurface Enabling Zero-Power-Consumption Thermal Management of Electronic Devices”为题发表在《Advanced Materials》。

03

图文导读

图1. 自适应机械超表面的热管理示意图。 

图2. 机械超表面的数值热响应。a) 单元结构示意图。b) 站立角示意图。c) 基于实际参数的不同温度下模型状态。d) 在固定温度下站立角与散热性能的关系（插图为基于函数近似模型的结果）。e) 站立角、温度与风速之间的关系（纵轴“温度”表示数值模拟中获得的最低表面温度）。 

图3. MMI天线的数值分析。a) 单元平贴状态下的天线配置。b) 单元翘起状态下的天线配置。c) 不同天线与条件下的S11仿真结果。d) 不同单元尺寸下的S11仿真结果（尺寸1：10 mm × 2.5 mm；尺寸2：9 mm × 2.0 mm；尺寸3：8 mm × 1.5 mm）。e) PCB与MMI天线在不同频率和状态下的表面电流分布。f) 不同频率和状态下的远场方向图仿真结果（“单元上”表示单元处于翘起状态，“单元下”表示单元平贴于基底）。

图4. 机械超表面的合成。a) 用于合成LCE薄膜的化学组分分子结构。b) LCE薄膜的制备流程。c) 取向LCE薄膜的偏振光学显微镜图像。d) p-LCE与m-LCE薄膜的强度与方位角关系（插图为相应的WAXS图谱）。e) 取向LCE薄膜的二向色性比。f) 截面扫描电镜图像。g) Cu-LCE复合薄膜中碳、氧、硫、铜元素的分布。

图5. 热响应的实验验证。a) MMI天线的实景照片。b) 单元在不同温度下的状态。c) 单元表面温度与站立角的关系。d) 热老化测试结果。e) 散热测试装置示意图与结果。f) 保温测试装置示意图与结果。g) 超表面应用于主板与电池的照片。h) 25°C环境下游戏过程中主板温度-时间曲线。i) 25°C环境下电池温度-时间曲线。j) –5°C环境下主板温度-时间曲线。k) –5°C环境下电池温度-时间曲线。

图6. 电磁响应的实验验证。a) 天线电磁性能测试装置。b) 不同天线与条件下的S11测量结果。c) 不同天线与条件下的效率测量结果。d) 不同天线与条件下的增益测量结果。e) 不同频率和状态下的远场方向图测量结果。