来源 | ACS Applied Materials&Interfaces

链接 | https://doi.org/10.1021/acsami.4c16929

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背景介绍

当你戴着智能手环监测心率、用柔性屏手机折叠通话，或是在医疗场景中接触可穿戴传感设备时，是否想过这些 “bendable” 的黑科技背后，正面临一个棘手难题 —— 散热。随着柔性电子技术的飞速发展，它已渗透到 wearable 科技、智能传感、医疗设备甚至芯片设计等多个领域。近年来，柔性基板上集成的晶体管数量更是呈爆发式增长，比如有团队在聚酰亚胺（PI）柔性基板上集成了 5.6 万多个器件，研发出 32 位 Arm 微处理器；还有研究首次实现了可拉伸电子产品中 1000 多个晶体管的大规模集成。

然而，和传统硅基芯片一样，柔性电子朝着高集成度、微型化方向发展的同时，也遭遇了严峻的热管理挑战。设备运行时产生的大量热量，若不能及时消散，不仅会影响性能稳定性，还可能缩短使用寿命，甚至引发安全隐患。

过去，科研人员尝试用高导热被动冷却材料（如石墨烯、碳纳米管）和辐射冷却材料（如铝掺杂氧化锌）来应对。这些材料虽能在一定程度上将热量散发到环境中，但面对日益提升的功率密度和集成度，仅靠它们已难以满足散热需求。像柔性高功率 LED、柔性微处理器这类高发热设备，亟需更高效的冷却方案。

在众多冷却技术中，柔性热管（HP）或柔性蒸汽室被认为是理想选择，但其核心部件 —— 多孔吸液芯的制备，却成了 “拦路虎”。传统多孔吸液芯需在 1000℃以上高温烧结铜颗粒制成，根本无法适配柔性基板。同时，具备优异芯吸能力的功能表面结构（如纳米线、多孔结构、微柱），虽能通过优化毛细力与粘性阻力的平衡来强化传热，却也存在局限：单层级结构只能在单一尺度下优先考虑毛细效应或粘性阻力；双层级结构制备工艺复杂，且难以实现流体传输的极致优化；现有少数多尺度层级结构，也因制备方法限制无法应用于柔性基板。如何在柔性基板上制备出能实现超快速毛细芯吸的多尺度复合结构，破解柔性电子的散热困境？

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成果掠影

近日，上海交通大学刘振宇团队通过低温（约 300℃）烧结法，利用自还原金属前驱体，在柔性聚酰亚胺（PI）薄膜上成功制备出包含中裂纹、微孔与纳米乳头状凸起的三层级多孔结构，可作为柔性多孔吸液芯。其中，中裂纹作为主要水流通道降低流动阻力，微孔表面覆盖的纳米乳头状凸起构建异质润湿表面，借助疏水减阻与亲水驱动力增强的协同作用，显著提升毛细性能，突破了不同尺度下粘性阻力降低与毛细力增强难以兼顾的困境。相较于此前研究中最优的微 / 纳米吸液芯结构提升 9.1%；将其应用于柔性发光二极管（LED）被动冷却，相比自然冷却，温度降低 35.9℃，冷却效果最高达 35.1%，有效解决了柔性电子散热难题。低温烧结工艺避免了高温对柔性基板的损伤，且制备过程无需复杂设备，为柔性吸液芯规模化应用奠定基础。三层级结构协同优化流体传输，在弯曲状态下（弯曲角度 85.7°）芯吸性能进一步提升，同时多孔膜与柔性基板结合力强、具备良好延展性与耐磨性。该结构成功解决了柔性热管与蒸汽室多孔吸液芯的制备难题，为柔性电子冷却技术开辟新路径。研究成果“Three-Tier Hierarchical Porous Structure with Ultrafast Capillary Transport for Flexible Electronics Cooling”为题发表在《ACS Applied Materials&Interfaces》

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图文导读

图 1.（a）液滴在柔性基板上的三层级多孔结构上的芯吸现象示意图；（b）带有多孔膜的聚酰亚胺（PI）薄膜的弯曲和扭转性能示意图；（c）铜金属有机分解（Cu MOD）墨水的制备流程示意图；（d）分支状铜颗粒表面的铜成核过程及多孔结构的扫描电子显微镜（SEM）图像；（e）球状铜颗粒表面的铜成核过程及多孔结构的 SEM 图像。

图 2.（a）液滴在多孔膜上铺展和芯吸时，本体半径、毛细芯吸半径及芯吸长度的示意图与顶视光学图像；（b）3 号样品（分支状铜颗粒、CuF/AMP 比例 1:1、厚度 100μm）中水分芯吸过程的顶视高速相机图像（时间节点：t=0-0.004s、t=0.076s、t=0.126s、t=0.266s）；（c）三层级多孔结构的形成机理示意图（涉及 Cu 墨水涂覆、加热、蒸发、沸腾等过程）；（d）三尺度芯吸结构实现水分超快速传输的机理示意图（包含中裂纹、微孔、纳米乳头状凸起的协同作用）。

图 3.（a）由分支状铜颗粒和纳米乳头状结构组成的异质润湿表面的快照与 SEM 图像；（b）分支状铜微粒表面、无微粒的纳米乳头状结构表面的 SEM 图像、氧和铜元素的能谱仪（EDS）表征结果，以及两种表面的水接触角测试图像（分支状铜微粒表面水接触角 142°，纳米乳头状结构表面水接触角 17°）；（c）（d）覆盖纳米乳头状结构的微孔中液膜填充过程的示意图；（e）（f）液膜前驱体流经局部异质润湿表面时呈现的卡西（Cassie）态、温泽尔（Wenzel）态的机理解释示意图；（g）氧化铜表面羟基化过程的示意图；（h）卡西 - 温泽尔态转变机理的自由能分析示意图（包含自由能公式 ΔE=-γₗᵥ(1+r cosθ) wₛ）；（i）液膜流经周期性异质润湿表面时呈现的周期性亲水 - 疏水特性的机理示意图。

图 4.（a）-（d）分别为 1 号（球状铜颗粒、CuF/AMP 比例 1:2、厚度 100μm）、2 号（分支状铜颗粒、CuF/AMP 比例 1:2、厚度 100μm）、3 号、4 号（分支状铜颗粒、CuF/AMP 比例 1:3、厚度 100μm）样品的三层级多孔表面在不同放大倍数下的 SEM 图像（展示铜核附着、颗粒连接、纳米乳头状凸起分布等特征）；（e）6 个样品的 X 射线衍射（XRD）图谱（显示金属铜的（111）、（200）、（220）晶面特征峰及氧化铜的弱（002）峰）；（f）-（j）6 个样品的 EDS 元素 mappings 图与成分柱状图（分析碳、氧、氮、铜元素含量及比例，探讨氧化程度与多孔结构的关系）。

图 5.（a）-（c）分别为球状铜颗粒构建的多孔结构（1 号样品）和分支状铜颗粒构建的多孔结构（2 号样品）的毛细芯吸半径（Rₚ）、本体半径（R₀）、芯吸长度（L）随时间变化的曲线；（d）分支状铜颗粒多孔结构的 SEM 图像（展示液膜前驱体环在多孔层中的传播特征，分析毛细力与摩擦力的平衡对传播速度的影响）；（e）基于卢卡斯 - 沃什伯恩（Lucas-Washburn）模型的芯吸长度拟合曲线（1 号样品 R²=0.9924，2 号样品 R²=0.9942，验证实验数据与理论模型的一致性）。

图 6.（a）甲酸铜（CuF）与 2 - 氨基 - 2 - 甲基 - 1 - 丙醇（AMP）的化学反应过程示意图（包含配体到金属的电荷转移、Cu²⁺部分还原等过程）；（b）纯 CuF 的热重 - 差示扫描量热（TG-DSC）曲线；（c）-（e）分别为 CuF/AMP 比例 1:1、1:2、1:3 的复合物的 TG-DSC 曲线（分析不同比例下的热分解过程，如乙醇蒸发、AMP 蒸发、甲酸铜分解温度等）；（f）1:1、1:2、1:3 比例墨水的铜成核与生长过程示意图（展示配体的封端效应对铜核尺寸、多孔结构的影响）；（g）2 号、3 号、4 号样品在不同复合物浓度下，芯吸长度随时间变化的曲线及基于经典沃什伯恩方程的拟合曲线（标注 R² 值，计算芯吸系数 w）；（h）2 号、3 号、4 号样品在不同复合物浓度下，本体半径随时间变化的曲线。

图 7.（a）可调夹具弯曲多孔膜的液滴芯吸实验装置示意图；（b）液滴在倾斜多孔膜表面的芯吸实验示意图及不同时间捕获的液滴形态图像（展示倾斜角度对液膜移动的影响）；（c）6 个样品在三种弯曲程度（0°、58.8°、85.7°）下的芯吸参数（芯吸系数 w）对比图；（d）6 个样品经多次重复实验后的芯吸参数对比图（显示 3 号样品的稳定性与重复性）；（e）本研究中 6 号样品（分支状铜颗粒、CuF/AMP 比例 1:1、厚度 150μm）在不同弯曲状态下的芯吸参数，与此前文献中报道的多孔结构（如硅纳米柱、ZnO 纳米线、V 型微柱等）的芯吸参数对比图（标注本研究样品芯吸系数较文献最优值提升 9.1%）。

图 8.（a）柔性 LED 冷却系统的示意图（包含供液区、流体传输区、蒸发冷却区，展示多孔膜覆盖在 PI 表面、底部连接 LED 的结构）；（b）-（d）分别为 0.36W、0.75W、1.02W 功率下，柔性 LED 在三种条件（空气中加热无多孔结构、空气中加热有多孔结构、有多孔结构且通过流体传输与蒸发被动冷却）下的表面温度随时间变化曲线；（e）0.36W-1.02W 功率范围内，三种条件下柔性 LED 的稳定温度对比图（显示被动冷却条件下温度从 102.2℃降至 66.3℃，冷却效果达 35.1%）；（f）1.02W 功率下，LED 在 50s、100s、150s 时的红外热成像图（展示温度分布与降温过程）；（g）0.36W-1.02W 功率下，柔性 LED 通过多孔结构流体传输与蒸发冷却达到稳定状态后的红外热成像图（显示高功率下冷却效果更显著）。