CN117445488A - 一种智能导热复合材料 - Google Patents

Abstract

一种智能导热复合材料，属于智能导热新材料领域。智能导热复合材料的单胞包括第一导热材料层、第二导热材料层和第三导热材料层，第一导热材料层包括第一缕空部分，第二导热材料层和第三导热材料层设置在第一缕空部分，第三导热材料层的导热系数高于等于第一导热材料的导热系数，第二导热材料层的导热系数低于第一导热材料层的导热系数。本发明的智能导热复合材料具有可编制的功能，能够根据需要将热流方向进行操控，实现智能导热功能和较高定向隔热能力。解决现有导热材料存在热流方向不可控的问题，不能实现智能导热功能和较高定向隔热能力的问题。

Description

一种智能导热复合材料

技术领域

本发明属于智能导热新材料技术领域，具体涉及一种智能导热复合材料。

背景技术

在“双碳”背景下，高效智能导热隔热材料的开发需求急迫，同时国内外学者制备了一些新型热学复合材料例如气凝胶复合材料、相变复合材料、轻质隔热陶瓷材料等。自然界现有材料的导热系数在空间均匀分布，很难实现对热流的人工控制，超材料技术的出现为制备隔热导热材料提供了新的方向。

热管理体现在生活的方方面面，比如在新能源汽车领域、集成电路领域，都需要散热或者保温等。然而，现有的材料在进行热管理时，存在热流方向不可控的问题，不能实现智能导热功能和较高定向隔热能力。而且，现有的智能导热复合材料很难实现批量生产。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明提供一种智能导热复合材料，以解决或缓解现有导热材料中存在的上述至少一个技术问题。

根据本发明的具体实施方式，本发明提供一种智能导热复合材料，智能导热复合材料的单胞包括第一导热材料层、第二导热材料层以及第三导热材料层，第一导热材料层包括第一缕空部分，第二导热材料层和第三导热材料层设置在第一导热材料层的第一缕空部分，第三导热材料层的导热系数高于或者等于第一导热材料的导热系数，第二导热材料层的导热系数低于第一导热材料层的导热系数，第一导热材料层的导热系数大于等于15W/(m·K)，第二导热材料层的导热系数小于等于0.3W/(m·K)，第三导热材料层的导热系数大于等于15W/(m·K)。

可选地，第三导热材料层包括第二缕空部分，第二导热材料层镶嵌在第三导热材料层的第二缕空部分。

可选地，还包括纤维气凝胶层，设置在第一导热材料层的表面。

可选地，还包括微型电机，设置在第三导热材料层的非缕空部分，

可选地，微型电机用于调整智能导热复合材料中单胞的theta角度，改变智能导热复合材料中单胞的导热系数。

可选地，对于每个单胞的变换后的导热系数的计算包括：根据变换热学理论，原始空间(x，y，z)与变换后的目标空间(u，v，w)，通过雅克比矩阵进行关联：

所述雅克比矩阵为

在目标空间(u，v，w)里，变换后的导热系数为其中，K为变换前的导热系数。

可选地，根据热学变换理论，将第三导热材料层设计成定向导热的结构，利用热学变换理论，

假设原始空间(x，y，z)与目标空间(u，v，w)均为笛卡尔坐标系，在水平和垂直方向，u(x,y,z)、v(x,y,z)、w(x,y,z)热流存在如下关联：

u(x,y)＝x

v(x,y)＝x*sin(theta)+y*sin(theta)

w(x,y)＝z

则变换后的第三导热材料层3的导热系数k的计算式为：

可选地，微型电机调整所述智能导热复合材料中的所有单胞的theta角度相同；微型电机调整所述智能导热复合材料中的所有单胞的theta角度不同；或者微型电机调整所述智能导热复合材料中的部分单胞的theta角度相同，另一部分单胞的theta角度不同。

可选地，第一导热材料层的材料包括铁、铝、铜、银及其合金中的至少一种。

可选地，第二导热材料层的材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、气凝胶以及相变材料中的至少一种。

可选地，第三导热材料层的材料包括铜或者黄铜中的至少一种。

可选地，在第一导热材料层、第二导热材料层以及第三导热材料层成型时，直接设定每个单胞的theta角度。

本发明实施例的上述方案与现有技术相比，至少具有以下有益效果：

(1)本发明提供的智能导热复合材料具有可编制的功能，能够根据需要将热流方向进行操控，实现智能导热功能和较高定向隔热能力。

(2)本发明提供的智能导热复合材料采用标准尺寸化的设计，整体结构简单，可以以非3D打印的方式进行批量生产。

(3)本发明提供的智能导热复合材料充分利用热学超材料的优势，兼具轻量化和力学性能，并降低结构的复杂程度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的智能导热材料单胞的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的智能导热材料单胞的分体示意图；

图3为本发明实施例提供的由单胞组成的智能导热材料的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的智能导热材料的智能控制原理图；

图5为本发明实施例提供的智能导热材料的全体单胞theta角度等于45°的材料结构示意图；

图6为本发明实施例提供的智能导热材料的全体单胞theta角度等于45°时的导流控制图；

图7为本发明实施例提供的智能导热材料的部分单胞theta等于45°，部分单胞theta等于-45°的材料结构示意图；

图8为本发明实施例提供的智能导热材料的部分单胞theta等于45°，部分单胞theta等于-45°时的导流控制图；

图9为本发明实施例提供的智能导热材料的部分单胞theta等于-45°，部分单胞theta等于45°的材料结构示意图；

图10为本发明实施例提供的智能导热材料的部分单胞theta等于-45°，部分单胞theta等于45°时的导流控制图。

具体实施方式中的附图标号如下：

导热复合材料100；单胞10；第一导热材料层1，第一缕空部分11；第二导热材料层2，第三导热材料层3，第二缕空部分31；纤维气凝胶层4，微型电机5。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明实施例的技术方案进行详细说明。

以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本发明的描述中，本发明术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本发明中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本发明所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

在本发明实施例的描述中，技术术语“背面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。

在本发明实施例的描述中，技术术语“第一”“第二”“第三”等仅用于区别不同对象，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量、特定顺序或主次关系。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1-图3，本发明实施例提供一种智能导热复合材料100，智能导热复合材料包括多个单胞10，每个单胞10包括第一导热材料层1、第二导热材料层2、第三导热材料层3以及纤维气凝胶层4。第一导热材料层1包括第一缕空部分11，第二导热材料层2和第三导热材料层3设置在第一导热材料层1的第一缕空部分11。纤维气凝胶层4设置在第一导热材料层1的表面。

第三导热材料层3的导热系数高于或者等于第一导热材料层1的导热系数。第三导热材料层3是关键导热部分，第三导热材料层3的导热系数高于或等于第一导热材料层1的导热系数，不会有较大的热阻，利于高效导热。第二导热材料层2的导热系数低于第一导热材料1的导热系数。第一导热材料层1的导热系数大于等于15W/(m·K)，第二导热材料层2的导热系数小于等于0.3W/(m·K)，第三导热材料层3的导热系数大于等于15W/(m·K)。

每个单胞10的尺寸不做限制，可以根据实际需要进行选择。本实施例中，单胞10的长度为32mm，厚度为4mm。

第一导热材料层1的尺寸和第一缕空部分11的形状可以根据实际需要进行选择。优选的，第一导热材料层1的厚度范围为2mm左右。本实施例中，第一导热材料层1的厚度为2mm，第一缕空部分11的形状为圆形。

第一导热材料层1的材料为高导热系数材料，导热系数大于等于15W/(m·K)。

所述第一导热材料层1的材料可以根据实际需要进行选择，只要满足上述导热系数的要求即可。优选的，所述第一导热材料层1的材料包括铁、铝、铜、银及其合金中的至少一种。本实施例中，所述第一导热材料层1的材料为铝合金。

第二导热材料层2的材料为低导热系数材料，导热系数小于等于0.3W/(m·K)。

第二导热材料层2的材料可以根据实际需要进行选择，只要满足上述导热系数的要求即可。优选的，第二导热材料层2的材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、气凝胶以及相变材料中的至少一种。本实施例中，第二导热材料层2的材料为PDMS。第二导热材料层2的厚度与第一导热材料层1的厚度相同。本实施例中，第二导热材料层2的厚度为2mm。

第三导热材料层3的材料为高导热系数材料，导热系数大于等于(15)W/(m·K)。第三导热材料层3的材料可以根据实际需要进行选择，只要满足上述导热系数的要求即可。优选的，第三导热材料层3的材料包括铜和黄铜中的至少一种。本实施例中，第三导热材料层3的材料为铜。第三导热材料层3的厚度与第一导热材料层1的厚度相同，本实施例中，第三导热材料层3的厚度为2mm。

优选的，第二导热材料层2的厚度和第三导热材料层3的厚度相同。

在一优选实施例中，第三导热材料层3包括第二缕空部分31，第二导热材料层2镶嵌在第三导热材料层3的第二缕空部分31。优选的，第三缕空部分31的形状与第二导热材料层2的形状相同。第二导热材料层2可以通过但不限于胶粘等方式镶嵌在第三导热材料层3的第二缕空部分31。

纤维气凝胶层4设置在第一导热材料层1的表面，进而在第一导热材料层1、第二导热材料层2、第三导热材料层3的背面复合粘接一层纤维气凝胶，能够实现良好的隔热性能。纤维气凝胶材料层4的厚度可以根据实际需要进行选择，优选的，纤维气凝胶材料层4的厚度范围为2～20mm。本实施例中，纤维气凝胶材料层4的厚度为2mm。可以理解，纤维气凝胶层4为可选择元件，在一些实施例中，智能导热复合材料100也可以不包括纤维气凝胶层4。

在一优选实施例中，智能导热复合材料100还包括微型电机5，微型电机5设置在第三导热材料层3的非缕空部分31。微型电机5用于对第二导热材料层2和第三导热材料层3形成的智能导热部件进行theta角度调整，进而调整智能导热复合材料100中单胞10的theta角度，改变智能导热复合材料中单胞10的导热系数。第二导热材料层2和第三导热材料层3形成的智能导热部件与第一导热材料层1之间接触，可以转动。

theta角度的调整范围为0-360°。在一些实施例中，微型电机5调整智能导热复合材料100中的所有单胞10的theta角度相同；在一些实施例中，微型电机5调整智能导热复合材料100中的所有单胞10的theta角度不同；在另外一些实施例中，微型电机5调整智能导热复合材料100中的部分单胞10的theta角度相同，另一部分单胞10的theta角度不同。

通过调整theta角度大小，每个单胞10的导热系数发生变化，对于每个单胞10的导热系数变化的具体原理如下：根据变换热学理论，原始空间坐标(x，y，z)与变换的目标空间(u，v，w)，可通过雅克比矩阵进行关联：

在目标空间(u，v，w)里，材料的导热系数为其中，K为变换前材料的导热系数。

为了实现智能导热性能，可以根据热学变换理论，将第三导热材料层3设计成定向导热的结构，其原理便是利用热学变换理论，具体如下：

假设原始空间和目标空间均为笛卡尔坐标系，在水平和垂直方向，u(x,y,z)、v(x,y,z)、w(x,y,z)热流存在如下关联：

u(x,y)＝x

v(x,y)＝x*sin(theta)+y*sin(theta)

w(x,y)＝z

则有变换后的导热系数：

为了实现良好的导热学性能，单胞10的导热系数可以按照变换后的公式进行排布，其大小受到theta角度的控制。对于任意路径的控制角度，可以对每个单胞10进行任意角度排布，按照图4的算法原理执行。算法主要包括：设定智能导热材料100的控制参数，温度T和姿态角度theta；并输入到可编程控制器；对单胞10进行位置编码；微型电机5执行角度算法theta，并调整单胞姿态；迭代进行上述步骤，直至调整完所有单胞姿态。

为了实现智能导热材料100具有良好的导热性能，控制每个单胞10的theta角度，可以实现按照规定路径进行导热的智能控制，路径可以是规则的，也可以是不规则路径，实际应用时，可根据被保护装置的位置，设计热流的路径。

为了实现智能导热材料100具有良好的导热性能，其导热系数可以按照变换后的公式进行排布，导热系数大小受到theta角度的控制。如图5和图6所示，全体单胞10的theta＝45°定向时，实现了定向导流控制。如图7和图8所示，部分单胞10的theta＝45°，部分单胞theta＝-45°，实现了中间区域定向导流控制。如图9和图10所示，部分单胞10的theta＝-45°，部分单胞10的theta＝45°，实现了中间区域定向导流控制。因此，可以根据实际需要控制theta角度，进而实现智能导热材料的定向导热。

在一些实施例中，为了实现良好的导热性能，在第一导热材料层1、第二导热材料层2以及第三导热材料层3成型时，直接给定每个单胞10的theta角度，可以实现热流的聚焦、发散、自旋、隐身等功能。

本发明提供的智能导热材料100，可以应用于但不限于汽车车体、建筑、轨道车辆、动力电池包、集成电路等领域的热管理。

本发明提供的智能导热复合材料具有可编制的功能，能够根据需要将热流方向进行操控，实现智能导热功能和较高定向隔热能力；采用标准尺寸化的设计，整体结构简单，可以以非3D打印的方式进行批量生产；而且本发明提供的智能导热复合材料充分利用热学超材料的优势，兼具轻量化和力学性能，并降低结构的复杂程度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中发明的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种智能导热复合材料，其特征在于，所述智能导热复合材料的单胞包括第一导热材料层、第二导热材料层以及第三导热材料层，所述第一导热材料层包括第一缕空部分，所述第二导热材料层和第三导热材料层设置在所述第一导热材料层的第一缕空部分，第三导热材料层的导热系数高于或者等于第一导热材料的导热系数，第二导热材料层的导热系数低于第一导热材料层的导热系数，所述第一导热材料层的导热系数大于等于15W/(m·K)，所述第二导热材料层的导热系数小于等于0.3W/(m·K)，所述第三导热材料层的导热系数大于等于15W/(m·K)。

2.根据权利要求1所述的智能导热复合材料，其特征在于，所述第三导热材料层包括第二缕空部分，所述第二导热材料层镶嵌在所述第三导热材料层的第二缕空部分。

3.根据权利要求1所述的智能导热复合材料，其特征在于，还包括纤维气凝胶层，设置在所述第一导热材料层的表面。

4.根据权利要求1-3任一项所述的智能导热复合材料，其特征在于，还包括微型电机，所述微型电机设置在所述第三导热材料层的非缕空部分。

5.根据权利要求4所述的智能导热复合材料，其特征在于，所述微型电机用于调整所述智能导热复合材料中单胞的theta角度，改变所述智能导热复合材料中单胞的导热系数。

6.根据权利要求5所述的智能导热复合材料，其特征在于，对于每个单胞的变换后的导热系数的计算包括：根据变换热学理论，原始空间(x，y，z)与变换后的目标空间(u，v，w)，通过雅克比矩阵进行关联：

所述雅克比矩阵为

在目标空间(u，v，w)里，变换后的导热系数为其中，K为变换前的导热系数。

7.根据权利要求6所述的智能导热复合材料，其特征在于，根据热学变换理论，将所述第三导热材料层设计成定向导热的结构，利用热学变换理论，

假设原始空间(x，y，z)与目标空间(u，v，w)均为笛卡尔坐标系，在水平和垂直方向，u(x,y,z)、v(x,y,z)、w(x,y,z)热流存在如下关联：

u(x,y)＝x

v(x,y)＝x*sin(theta)+y*sin(theta)

w(x,y)＝z

则变换后的第三导热材料层3的导热系数k的计算式为：

8.根据权利要求5所述的智能导热复合材料，其特征在于，所述微型电机调整所述智能导热复合材料中的所有单胞的theta角度相同；所述微型电机调整所述智能导热复合材料中的所有单胞的theta角度不同；或者所述微型电机调整所述智能导热复合材料中的部分单胞的theta角度相同，另一部分单胞的theta角度不同。

9.根据权利要求1-3任一项所述的智能导热复合材料，其特征在于，所述第一导热材料层的材料包括铁、铝、铜、银及其合金中的至少一种；所述第二导热材料层的材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、气凝胶以及相变材料中的至少一种；所述第三导热材料层的材料包括铜或者黄铜中的至少一种。

10.根据权利要求1-3任一项所述的智能导热复合材料，其特征在于，在所述第一导热材料层、第二导热材料层以及第三导热材料层成型时，直接设定每个单胞的theta角度。