【科研进展】可用于主动热管理的液态金属热开关

Liquid metal enabled thermal switch for active thermal management

文章概述

在高功率密度系统中，特别是在新能源汽车和先进电子设备中，越来越多的热量产生突出了热管理的重要性。当前，热管理材料 / 器件的主要挑战在于可调性不足和结构复杂的设计。在这项研究中，我们开发了一种主动控制的液态金属（ LM ）热开关，消除了机械驱动部件。通过将镍微粒混合到 LM 中，我们利用磁响应性和液态金属流动性之间的相互作用来建立可调的传热途径。在外加磁场作用下，镍 - LM 复合材料通过磁流体动力学定向和界面张力调制，自发地在热源和散热器之间形成导热桥。实验表征表明热开关比为 6.9 。与非激活状态相比，该系统实现了有效导热系数的增强。这种非接触式控制模式为瞬态负载下需要精确温度管理的电力电子和储能系统提供自适应热调节。

2025 年 8 月，南方科技大学李保文教授团队在 International Journal of Heat and Mass Transfer 期刊发表了题为“ Liquid metal enabled thermal switch for active thermal management ”的研究论文。该文通讯作者为南科大微电子系研究副教授朱桂妹，第一作者为南科大材料系硕士研究生朱沛林，共同第一作者为南科大物理系博士后张炯炯。

这项工作提出了一种基于液态金属（ LM ）与磁场调控的新型热管理技术。该技术利用 LM 作为传热介质，并通过施加磁场来调控 LM 的运动。 LM 因其优异的导热性和流动性，成为理想的传热介质。同时，利用镍粉的磁响应特性和 LM 的表面张力，可以在磁场作用下形成热源与散热端之间的液体通道，从而构建有效的热传导路径。本研究阐述了在磁场调控下，镍粉的磁响应与 LM 的流动特性对热传导性能的影响，并通过实验验证了该技术的高效性，开关比可达6.9。

图文导读

图1.热开关的制备与结构。将热导率为28 W·m-1·K-1的液态金属和粒径为200目的镍粉通过研磨进行混合，封装在热开关框架中。镍粉含量为20 wt%，镍粉被液态金属氧化后进入液态金属内部，并在液态金属内部呈随机分布。

图 2. 图a是热开关的测试示意图，电磁铁给热开关提供驱动力，K型热电偶记录热开关两端的温升曲线。图b为热开关工作原理，即热开关分别在“on”和“off”时液态金属的状态。当施加磁场时热开关切换为on状态，液态金属中的镍粉在磁场的作用下形成液桥连接两端作为高导热通路。

图3. 图a测试了不同液态金属含量对传热的影响，即6.6 vol%、14 vol%、22 vol%。在off状态下，绝热性能没有明显的差异，而on状态下，液态金属的含量对传热性能更显著的影响。图c为热开关工作过程中的红外照片，对比“on”和“off”状态的heat sink的温度，展现了绝热和导热时热开关的温度分布，以及热开关对温度的调控能力。图d、e则对热开关绝热和导热温度分布进行了模拟，和实验结果一样，绝热状态下热开关两端温差为16℃，导热状态下两端温度为3℃。

图4. 图a是测量热开关热性能的仪器（界面材料热阻与热导率测量仪（LW-9389））原理图。图c、d是热开关在不同状态下的热流和等效热导率。Off状态下热流主要通过亚克力框架进行传导，因此热流和热导率可视为常数，on状态下热性能则随着液态金属含量的增加迅速增加。热开关的开关比达到了6.9。

总 结

这项研究强调了基于LM的热开关在电子设备的有效冷却方面的潜力。通过实验和仿真分析，LM热敏开关具有较强的可调散热能力，其关断状态和导通状态的温差分别约为16°C和3°C。尽管存在像这样的低导热材料，但LM的优越导热性仍然是优化热管理的关键因素。在LM体积分数为22%时，热敏开关的最大开关比为6.9。LM热敏开关为电子器件提供了可控和有效的热管理解决方案，从而提高了性能并延长了使用寿命。目前，我们的热敏开关还面临着磁场强度过大等问题。为了进一步提高热敏开关的性能，未来的努力将是最小化磁场要求，提高结构和热稳定性，延长开关循环寿命。

文献信息：

ZHU, P., ZHANG, J., WEI, B., LI, B. & ZHU, G. 2026. Liquid metal enabled thermal switch for active thermal management. International Journal of Heat and Mass Transfer, 254, 127654.

https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.127654

热 知

李保文课题组公众号｜rezhi2021