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仿生学实例:壁虎的脚与Heat-Spring®导热界面材料

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2023年 3月 22日

你可能尝试把粘糊糊、有弹性的东西扔到墙上,然后看着它慢慢地滑到地上。有一种常见的误解,认为壁虎的脚也有类似特性——具有很强的粘性。

但事实上,如果壁虎脚趾真的有很强粘性的话,那它行走、奔跑都会非常困难,结果就会沦为捕食者的腹中餐。如果我们仔细观察壁虎的脚,会发现其脚趾实际上又软又滑。只有皮肤褶襞里密布的腺毛参与运动时,才会有粘附能力,壁虎也才能在墙壁、天花板或光滑的平面上迅速爬行。

铟泰公司的Heat-Spring®导热界面材料就借鉴了这种特性:铟的延展性最大限度地减少了表面热阻并增加了热导率。Heat-Spring®导热界面材料上的突起设计就像壁虎脚趾上的腺毛,使其可以牢牢附着在目标物体上,即使在搬运中晃动也不会脱落。

腺毛由β角蛋白构成,在纳米维度上,腺毛的分子间可形成1至1000纳米牛顿的粘附力;可使壁虎能以每秒三英尺的速度垂直奔跑。但与Heat-Spring®导热界面材料能承受35磅/平方英尺至100磅/平方英尺以上的压强相比,壁虎脚的吸附力就相形见绌了。

铟泰公司的科学家们研发的技术遥遥领先于自然进化:在Bob Jarrett和Jordan Ross设计Heat-Spring®导热界面材料之时,目的主要是为了满足市场对高性能热界面材料的需求。传统聚合物材料的热传导性能差等其它固有问题。使得该项需求十分迫切。但在不到一年的时间内,Heat-Spring®导热界面材料就研发成功了。相较之下,壁虎脚趾是在经历了数百万年的进化才形成的,这一点已经从一只困在琥珀中白垩纪时代的壁虎得到了证实。

图:壁虎琥珀,来源网络,侵联删

铟泰公司Heat-Spring®导热界面材料在其设计初期也经历了多次迭代,研发人员通过不同的表面设计形式来降低接触热阻。添加复杂图案设计会减少接触面积。这似乎与热传递原理背道而驰。然而,由于热阻受三个因素影响:体积电导率、接触阻力和接合厚度——可能某一因素对总热阻力的影响更大。好在铟的质地柔软且有高导热性,研发人员可以尝试不同的表面设计。

使用金属铟Heat-Spring®导热界面材料是如何克服传统聚合物热界面材料的缺点(聚合物和导电填料之间的低导电性以及热失配问题)的呢?Jarrett解释道:“铟具有很高的热导率,且能与上下界面很好贴合。由于铟是金属,所以能以电子传导热量,不存在热失配问题。聚合物、硅填料或陶瓷填料制成的热界面材料则需要依靠晶格振动传导热量。如果频率失匹,界面材料内各个界面处热传递都会中断。使用金属铟就能完全避免这个问题。”

在“万物互联”的当下:手机、智能电视、手表、冰箱,甚至温度计的数据都在源源不断地将数据上传到“云端”数据中心,使得散热成为一个重要的课题。为了使服务器设备的运行更快、更节能、更高可持续,浸入式冷却是热管理效能提升的关键技术。将服务器“浸入”在导热但介电的液体或冷却剂中,热量通过冷却剂的循环而消散。金属材质的Heat-Spring®导热界面材料由于具有可压缩性表面设计,非常适合这类应用。

图:铟泰公司高效能导热界面材料Heat-Spring®

从环保方面考虑,铟泰公司提供对Heat-Spring®导热界面材料的回收和再利用服务。另外,根据不同应用的需求,除纯铟金属外,Heat-Spring®导热界面材料也有其它多种合金可选,如铟锡、铟银和锡+等。

作者:MarCom Christian Vischi

铟泰公司的研发人员经常在自然界中寻找灵感和创造力,以推动材料科学的发展。最后,感谢黏脚壁虎的遗传进化对设计工程师的启迪。

如您想要了解更多关于Heat-Spring®信息可在文章下方留言或私信我们。