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仿生學實例:壁虎的腳與Heat-Spring?導熱界面材料

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2023年 3月 22日

你可能嘗試把粘糊糊、有彈性的東西扔到墻上,然后看著它慢慢地滑到地上。有一種常見的誤解,認為壁虎的腳也有類似特性——具有很強的粘性。

但事實上,如果壁虎腳趾真的有很強粘性的話,那它行走、奔跑都會非常困難,結果就會淪為捕食者的腹中餐。如果我們仔細觀察壁虎的腳,會發(fā)現(xiàn)其腳趾實際上又軟又滑。只有皮膚褶襞里密布的腺毛參與運動時,才會有粘附能力,壁虎也才能在墻壁、天花板或光滑的平面上迅速爬行。

銦泰公司的Heat-Spring?導熱界面材料就借鑒了這種特性:銦的延展性最大限度地減少了表面熱阻并增加了熱導率。Heat-Spring?導熱界面材料上的突起設計就像壁虎腳趾上的腺毛,使其可以牢牢附著在目標物體上,即使在搬運中晃動也不會脫落。

腺毛由β角蛋白構成,在納米維度上,腺毛的分子間可形成1至1000納米牛頓的粘附力;可使壁虎能以每秒三英尺的速度垂直奔跑。但與Heat-Spring?導熱界面材料能承受35磅/平方英尺至100磅/平方英尺以上的壓強相比,壁虎腳的吸附力就相形見絀了。

銦泰公司的科學家們研發(fā)的技術遙遙領先于自然進化:在Bob Jarrett和Jordan Ross設計Heat-Spring?導熱界面材料之時,目的主要是為了滿足市場對高性能熱界面材料的需求。傳統(tǒng)聚合物材料的熱傳導性能差等其它固有問題。使得該項需求十分迫切。但在不到一年的時間內,Heat-Spring?導熱界面材料就研發(fā)成功了。相較之下,壁虎腳趾是在經(jīng)歷了數(shù)百萬年的進化才形成的,這一點已經(jīng)從一只困在琥珀中白堊紀時代的壁虎得到了證實。

圖:壁虎琥珀,來源網(wǎng)絡,侵聯(lián)刪

銦泰公司Heat-Spring?導熱界面材料在其設計初期也經(jīng)歷了多次迭代,研發(fā)人員通過不同的表面設計形式來降低接觸熱阻。添加復雜圖案設計會減少接觸面積。這似乎與熱傳遞原理背道而馳。然而,由于熱阻受三個因素影響:體積電導率、接觸阻力和接合厚度——可能某一因素對總熱阻力的影響更大。好在銦的質地柔軟且有高導熱性,研發(fā)人員可以嘗試不同的表面設計。

使用金屬銦Heat-Spring?導熱界面材料是如何克服傳統(tǒng)聚合物熱界面材料的缺點(聚合物和導電填料之間的低導電性以及熱失配問題)的呢?Jarrett解釋道:“銦具有很高的熱導率,且能與上下界面很好貼合。由于銦是金屬,所以能以電子傳導熱量,不存在熱失配問題。聚合物、硅填料或陶瓷填料制成的熱界面材料則需要依靠晶格振動傳導熱量。如果頻率失匹,界面材料內各個界面處熱傳遞都會中斷。使用金屬銦就能完全避免這個問題?!?/b>

在“萬物互聯(lián)”的當下:手機、智能電視、手表、冰箱,甚至溫度計的數(shù)據(jù)都在源源不斷地將數(shù)據(jù)上傳到“云端”數(shù)據(jù)中心,使得散熱成為一個重要的課題。為了使服務器設備的運行更快、更節(jié)能、更高可持續(xù),浸入式冷卻是熱管理效能提升的關鍵技術。將服務器“浸入”在導熱但介電的液體或冷卻劑中,熱量通過冷卻劑的循環(huán)而消散。金屬材質的Heat-Spring?導熱界面材料由于具有可壓縮性表面設計,非常適合這類應用。

圖:銦泰公司高效能導熱界面材料Heat-Spring?

從環(huán)保方面考慮,銦泰公司提供對Heat-Spring?導熱界面材料的回收和再利用服務。另外,根據(jù)不同應用的需求,除純銦金屬外,Heat-Spring?導熱界面材料也有其它多種合金可選,如銦錫、銦銀和錫+等。

作者:MarCom Christian Vischi

銦泰公司的研發(fā)人員經(jīng)常在自然界中尋找靈感和創(chuàng)造力,以推動材料科學的發(fā)展。最后,感謝黏腳壁虎的遺傳進化對設計工程師的啟迪。

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