厉害!00后本科生一作发表《AM》

发布时间:2021-09-30

近日,上海交通大学材料学院宋成轶副教授邓涛教授团队在材料科学领域的国际领先学术杂志《Advanced Materials》期刊上发表了题目为“Liquid Metal Composites with Enhanced Thermal Conductivity and Stability Using Molecular Thermal Linker”的论文。特殊的是,这篇论文的第一作者不是博士生,也不是研究生,而是一名00后的本科生。让我们一起来了解一下这篇论文,以及这位材料“后浪”在论文发表过程中的心路历程吧!


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王晗
上海交通大学材料科学与工程学院2018级本科生,F18致远工科荣誉计划成员,材料学院国际化试点班成员
学业情况:曾获香港董氏奖学金,致远荣誉奖学金,上海交通大学三好学生,上海交通大学优秀团员等荣誉。

科创活动:“钱学森杯”科技创新竞赛一等奖,美国大学生数学建模竞赛F奖,入选上海交通大学䇹政项目,第二十期优秀大创项目。


    论文解读    


随着电子设备集成度的不断提高和功率密度的不断提高,许多电子设备的热管理对于确保其可靠运行变得越来越重要。特别是,热界面材料 (TIM) 通过增强电子设备界面之间的热耦合来实现高效散热,从而成为热管理的重要组成部分。传统的 TIM 是含有导热填料的聚合物基复合材料。虽然聚合物基体赋予 TIM 填充界面处气隙的灵活性,但它们的热性能通常受到聚合物中较差的热传输的限制。具有金属填料的镓基液态金属 (LM) 复合材料是一类新兴的热界面材料 (TIM),它们的金属性质确保了固有的高热导率(κ)和良好的热传输性能。液态金属的流动性使它们能够填充电子芯片和散热器之间的气隙。然而,镓与许多金属填料(如铜和银)之间的原位合金化会导致复合材料稳定性降低。


鉴于此,上海交通大学宋成轶副教授邓涛教授北卡罗来纳州立大学 Michael Dickey教授提出了一种界面工程方法,使用3-氯丙基三乙氧基硅烷 (CPTES) 作为有效的热连接剂和LM基体中铜-镓氧化物界面的扩散屏障,从而提高 (EGaIn-CuP) 复合材料的热导率和稳定性。通过将LM与CPTES改性的铜颗粒混合,热导率高达 65.9 W m-1 K-1,这是报告的具有金属填料的镓基液态金属复合材料的最高值之一。此外,可以通过改变硅烷分子的端基来调整热导率。这种复合材料作为TIM的潜在用途也显示在计算机中央处理单元的散热中。这项工作提供了一种不同的方法来制造高性能LM基复合材料,并可能进一步推动它们在各个领域的应用,包括热管理系统、柔性电子产品、消费电子产品和生物医学系统。相关工作以“Liquid Metal Composites with Enhanced Thermal Conductivity and Stability Using Molecular Thermal Linker”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。


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液态金属复合材料的制备与表征

将球形CuP粉末称重并倒入装有甲苯的玻璃瓶中,然后将特定量的CPTES加入溶液中。混合过程使用电动剪切混合器进行。CPST通过脱水反应与部分氧化的CuP表面上的羟基进一步反应制备CuP@Cl粉末。然后将其与EGaIn简单混合,随着新的EGaIn表面不断暴露并在剪切力下形成新的氧化层,填料颗粒可以通过氧化物辅助过程结合到EGaIn基体中,并迅速获得分散良好的EGaIn-CuP复合材料(图1)。SEM测试表明,随着CuP体积分数的增加,表面粗糙度也随之增加(图2)。



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图1 CPTES改性铜颗粒和复合材料的生成示意图



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图2复合材料的表征


复合材料的热性能和稳定性

对于EGaIn-CuP复合材料,随着CuP体积分数的逐渐增加,热导率首先增加,但一旦CuP体积分数超过一定阈值,热导率开始下降。导热系数在填料体积分数为51%时达到峰值,平均值为57.0±1.81 W m-1 K-1。对EGaIn-CuP@Cl-51 vol%复合材料在298 K至378 K的温度范围内进行循环热导率测量以检查其热稳定性。在初始下降≈3%后,热导率保持相对稳定。液态金属复合材料的热导率可以通过改变CuP/Ga2O3界面上化学相互作用的强度来成功定制,证明了这种方法的灵活性(图3)。此外,对于EGaIn-CuP@Cl复合材料可以通过用硅烷分子对CuP填料进行化学改性来提高稳定性。硅烷改性提高稳定性背后的机制可归因于键合诱导的原子扩散阻抗。高温控制实验进一步证实,与未改性的EGaIn-CuP复合材料相比,EGaIn-CuP@Cl复合材料表现出极大的稳定性,证明了其在实际TIM应用中的潜力(图4)。


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图3 EGaIn-CuP复合材料的热性能



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图4复合材料的稳定性评估


复合材料作为TIM的计算机CPU散热测试

EGaIn-CuP@Cl-51 vol%复合材料可以轻松应用于CPU芯片。使用Prime 95软件的CPU最大发热量在300秒左右开始。CPU顶面的温度 (Tc) 和散热器上方的环境空气 (Ts) 温度差的变化来表征散热测试。测试前初始温差几乎相同。到达最大发热量后,没有应用TIM的情况下最大,温度迅速上升到43.6 °C。商用导热油脂在最大发热后将温差降低至34.0°C。相比之下,EGaIn-CuP@Cl-51 vol%复合材料将温差降低至14.7 °C,与商用导热膏相比实现了显着的散热改进。这一结果还通过使用红外 (IR) 摄像头记录 CPU 和散热器周围从 0 s 到 330 s 开始最大发热后的温度变化得到验证。此外,LM复合材料和固体基板之间的界面接触条件测试表明界面接触电阻很小,具有应用潜力作为有效的TIM。


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图5复合材料作为TIM的计算机CPU散热测试


小结:作者通过对CuP填料进行硅烷表面改性,成功合成了具有增强导热性和稳定性的液态金属-铜复合材料。这种在末端具有氯基团的硅烷用作分子热连接剂。导热系数高达65.9 W m-1 K-1,是液态金属-金属填料复合材料有史以来报告的最高值之一。覆盖在CuP上的硅烷分子还在铜和EGaIn基体之间形成扩散屏障在很大程度上减慢了合金的形成速率并提高了复合材料的稳定性。CPU散热测试证明了EGaIn-CuP@Cl复合材料的热性能。这项工作为制造高性能液态金属复合材料提供了一种替代方法,可能会进一步推动它们在许多领域的应用。


    心路历程    


缘起致远荣誉计划

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机缘巧合下,王晗在致远荣誉计划的参观活动中偶遇宋成轶老师,并聊的十分投机,以此为契,他进入了邓涛老师的课题组,开始自己正儿八经的科研路。
在课题组,王晗主要研究的是热界面材料,通俗的来说,就是帮助电子器件散热的一种材料。电脑在使用的过程中会产生大量的热量,如果得不到及时的耗散,热量的积压会对电子元件的寿命、使用效率产生很大的影响。使用热界面材料填充于散热器件和发热器件之间,可以有效帮助热量交换。该项材料有着良好的应用前景。
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充满挑战的投稿之路
对于王晗来说,这项课题研究与发表的过程并非一帆风顺。
在项目初期的摸索阶段,知识储备与相关经验不足的王晗铆足劲做了一个半月的实验,却发现结论已经被别人证明了。深受打击后,他很快振作起来,意识到是自己没有平衡好花在实验与文献阅读上的时间。他开始查阅了大量文献,积极向指导老师邓涛和宋成轶请教。经过一次又一次的试错,终于在实验上取得突破性的进展。
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王晗原以为,相比取得突出的实验成果,撰写论文应该是轻而易举的事,但实际上,身体力行做实验和用逻辑总结自己的实验成果完全是两码事。在截稿日期的前一天,论文的文稿刚完成30%,他一边通宵写论文,一边在线上和指导老师宋成轶远程讨论。王晗熬了一整夜,宋老师也熬了一整夜,说起这段经历,王晗至今都很感动。
写作过程中印象最深的一段时间,是文章返修恰逢考试月。王晗白天做实验,晚上复习考试,连着一个月都在自习室熬夜,三点回寝室,八点又爬起来去实验室。“这是一个通过努力就可以解决的问题,那我为什么不去试一试?”这一信念支撑着王晗坚持了下来,最终为本次投稿之路画上了一个圆满的句号。

在经历中成长
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谈起这段经历,王晗总结了几点做科研的要点。一是要细心,要留意实验中所出现的各种实验现象,这可能是你提出新思路的第一步;二是要严谨,在实验中,对于一些无关变量正确的把握,是成为一个优秀的科学工作者必须具备的素质;三是要扎实的理论基础,想做深入、前沿的研究,没有扎实的基础,研究很难走的特别远。
作为本科生,课程安排多,学习任务紧。在如何平衡好科研和学习的问题上,王晗也有一些心得。大三上学期,王晗从早到晚都在埋头做实验,留给学习和做作业的时间很少。 “熬夜实验,上课补觉”,即使考试周拼命复习,但材料物理期终考试还是不理想。于是,他调整了自己,即使很困,也强迫自己认真听课,多做笔记,利用课后作业复习,让成绩回到了之前的水平。


对刚踏入材料学科的新生们,王晗给出了他的大学建议:


“无论现在处于什么阶段,都一定要提前规划好自己的本科四年,不要等到最后一刻再去考虑这个问题。早早有对自己的清晰认识,会让你的行动变得不再盲目。虽然现在可能并没有一个准确的答案,但也请尽力去思考这个问题。带着自己已有的认识去接触你身边的人或事,相信未来的某一天,你一定会作出适合自己的选择。”


本文来源:高分子科学前沿、上海交通大学材料学院

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