美国东北大学《AFM》：表面光子工程，助力解决散热问题！

随着集成密度和功耗的快速增长，散热问题已成为电子技术、太阳能电池、电池、和汽车发展的关键障碍。散热不良导致的温度升高严重制约了这些技术的可靠性和耐用性。辅助附件和能源使用限制了主动冷却方法的实施，如强制对流翅片、热电冷却器和电热冷却器。因此，由于节能方式的优点，被动散热方式引起了广泛关注。虽然银、铜等金属，导热系数高，能有效散热。但超低的红外热发射比(<0.03)严重限制了其辐射散热能力。

来自美国东北大学的学者演示了一种溶液处理的化学氧化反应，将“红外-白”金属(高红外热反射率)转化为“红外-黑”金属(高红外热反射率)。通过金属-氧化学键的强分子振动，该策略通过在金属表面组装纳米结构的金属氧化物薄膜，具有高的全向热发射率(0.94，从0到60°,)，还具有良好的热机械稳定性。金属氧化物的薄层具有较高的导热系数，不妨碍散热。在2418 W m−2的加热功率下，“红外-黑”铝的温度下降了21.3℃，冷却效率提高了17.2%。这种表面光子工程策略与其他金属兼容，如铜和钢。相关文章以“Surface Photon-Engineered Infrared-Black Metametal Enabled Enhancement of Heat Dissipation”标题发表在Advanced Functional Materials。

图1.“红外黑”金属铝的工作机理和制作工艺示意图。a)纳米粒子和纳米薄片覆盖的“红外黑”铝增强辐射冷却示意图。b)冷却热表面的热阻分析。c)物体的热阻是其表面发射度的函数。d)溶液处理的化学氧化反应，在铝合金表面制造纳米结构，用于修正发射度。e)合金在100和200°C氧化前(左)和氧化后(右)的表面反射率/发射光谱和光谱辐照度。

图2.扫描电镜和光谱学表征。a)原始2024合金顶部表面的SEM图像。b,c)金属铝顶部表面俯视图图像。d,e)金属铝的纳米粒子分布区域。f,g)金属铝的纳米片分散区域。h)纳米粒子和纳米薄片共存区域。i) 超铝的截面。j)金属氧化物层的XRD谱图。k,l)金属氧化层的FTIR光谱。

图3.加工变量对“红外-黑”金属铝表面发射度的影响。a- c)发射光谱和d - f)在不同反应时间(a,d)、不同NaOH浓度(b,e)和温度(c,f)下制备的超铝的红外热发射率(ε)

图4.“红外-黑”金属铝的光谱表征和热力学稳定性。a)原始、清洗和氧化2024合金的半球发射/反射率及其在100°C下对应的光谱辐照度。b)ε超铝跨角度，从而实现全向红外热发射增强。c)氧化层中Al2O3、CuO和MgO的M-O化学键的分子振动。d)文献提取的Al2O3的复折射率(n + κ)。e)超铝在200℃的空气中热稳定24、48、96和192 h后的发射光谱。f)在空气中100、200、300和400℃温度下热处理2 h后的超铝发射光谱。g) 200℃热稳定性测试192 h和400℃空气热处理2 h前后的超铝XRD谱。h) 5次和10次机械粘附试验前后金属铝的发射光谱

图5.“红外-黑”金属铝的增强辐射冷却性能试验。a)实验装置由绝缘泡沫陶瓷、发热元件、热电偶、超铝样品和风扇组成。b)裸合金和金属铝的瞬态温度响应。c)金属铝在不同加热强度下的冷却效率。d)循环加热下裸合金和超铝的温度变化。e)裸合金和金属铝在不同风速下的瞬态温度响应。f)金属铝在不同风速下的冷却效率

图6.增强的“红外-黑”超鳍的辐射冷却性能。a)“红外-黑”超鳍的冷却性能模拟设置。b)不同表面发射度的金属铝在不同加热强度下的稳态温度。c)不同几何结构的超铝、超鳍1和超鳍2在不同加热强度下的稳态温度。d)不同表面发射度的超鳍2的稳定温度随加热强度的函数关系。e)不同氧化时间下裸铜和超铜的发射光谱。f)模拟不同加热强度下裸铜和超铜的稳定温度。

总之，已经证明溶液处理的化学氧化反应可以实现“红外-黑”金属的具有成本效益的制造，从而实现增强的散热。由此产生的金属氧化物（Al2O3，CuO和MgO）纳米结构，包括具有宽带热发射的纳米颗粒和纳米片能够均匀地组装在“红外-白”铝合金表面上。通过改变氧化反应时间、NaOH浓度和溶液温度，本研究在红外区域（2.5 − 20μm）上实现0.95的最大化热发射率，从而优化了自发散热。这些金属氧化物层中M-O化学键的强分子振动产生高的全向热发射（0°时为0.95，30°时为0.94，60°时为0.95），而合金表面的热发射率为0.02。这种红外光谱操纵策略已经过验证，可以形成功能化的片状CuO纳米结构，以增加热发射率。广泛可用的原材料、化学品和廉价的溶液工艺具有很高的成本效益和可行性。因此，本研究提出的一种具有大型多功能性和可扩展性的金属的制造方法，在电子，太阳能电池和电池的热管理中显示出广袤前景。