柔性器件的瞬态传热研究

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近年来,伴随着对可移动和轻便柔性器件的需求,人们对开发柔性器件在各个领域中的应用有着巨大的兴趣,其中在能量储存领域、生物医学领域、仿生领域等,人们已经有着较为深入的研究。柔性器件相关技术的发展和革新也势必会改变我们的生活方式。然而,目前鲜有关于柔性器件在瞬态传热方面的报道,柔性器件导热性能差的问题却一直阻碍着柔性器件进一步向轻型化、小型化、高集成化发展。本文针对上述问题,提出两种解决方案:一种是降低柔性器件的界面热阻;另一种是通过在微通道内填充高导热材料的工艺使器件的局部导热性能得到大幅提升。利用第一种方法的原理,我们通过将紫外光照射过的聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)和聚酰亚胺(polyimide,PI)转印到硅基片上,在界面处生成硅氧键(Si-O),从而降低柔性器件的界面热阻,进而提升整体的导热性能。利用第二种方法的原理,我们分别在PI和PDMS内部制作出微通道,并在微通道内分别填充石墨烯和镓铟合金(Ga-In),从而使柔性器件的局部导热性能得到极大的提升。本文首先用NanoTR系统测量出不同紫外光照时长下PDMS/Si、PI/Si和PI复合薄膜不同区域下的热扩散曲线,随后使用ANSYS有限元仿真软件建立三层和双层一维热扩散模型,仿真出不同紫外光照时长下PDMS/Si、PI/Si和PI复合薄膜不同区域下的热扩散曲线,再与实际测量得到的热扩散曲线对比,从而得到相应的热导率。随后在众多PDMS-PDMS粘合的方法中,我们选择最为高效、简单的部分固化法和不同固化率法相结合的方法,制作出PDMS内部的微通道,并利用抽真空法将Ga-In合金填充到微通道内,最后使用热电偶测量在加热情况下PDMS复合膜表面不同区域的温度。第一种方法对热导率的提高在两倍左右,但使用范围更加广泛并且可以使柔性器件整体导热性能得到提升;第二种方法对热导率的提高在10倍左右,但是只针对柔性器件局部导热性能的提升,因此在未来的应用上我们应该根据情况单独使用或者综合使用。
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