吉林大学AM：自适应机械超表面，实现电子设备的双模式热管理

随着电子设备在现代信息时代中扮演越来越重要的角色，其性能和集成度不断提升，但由此产生的热量积累也日益严重。据统计，超过50%的电子设备故障源于热管理不足。当前的热管理技术往往需要占用大量空间或消耗可观功率，不仅限制了系统集成度，还可能影响设备的电磁性能，如工作带宽和效率。此外，散热与保温机制在本质上相互矛盾，传统方法难以在不牺牲性能的前提下实现两者的动态切换，这成为高密度集成电子系统发展中的一大挑战。

近日，吉林大学张永来教授、韩冬冬教授、徐速教授合作提出了一种零功耗自适应的机械超表面，可实现电子设备的双模式热管理。该超表面由液晶弹性体与铜组成的周期性单元构成，利用材料间的热驱动应变失配，实现随温度变化的结构重构。这种热-机械转换机制能够被动地将多余热量转化为机械能，从而在不消耗额外功率的情况下，为多种电子设备提供高效的热管理。研究还通过设计深亚波长单元结构，在Vivaldi天线上验证了机械重构与电磁功能之间的解耦，确保了在自适应热管理过程中电磁性能的稳定。

相关论文以“Self-Adaptive Mechanical Metasurface Enabling Zero-Power-Consumption Thermal Management of Electronic Devices”为题，发表在

Advanced Materials

研究团队首先通过示意图展示了该机械超表面的热管理机制：在无序状态下，单元平贴于基底，系统处于保温模式；而在有序状态下，单元翘起，开启散热通道，实现自适应热管理。数值模拟进一步揭示了单元的热响应行为：每个单元由介电基底、胶带、铜膜和液晶弹性体层构成，其站立角随温度变化而变化。随着温度升高，液晶弹性体沿分子取向轴收缩，而铜层尺寸变化可忽略，这种应变失配导致单元逐渐翘起。模拟结果显示，站立角从0°增至84°时，表面温度可降低9.1°C；在外部气流辅助下，降温幅度可达12.2°C，展现出优异的散热能力。

图1. 自适应机械超表面的热管理示意图。

为验证超表面在真实电子设备中的兼容性，研究人员将其集成于一款超宽带Vivaldi天线表面。该天线工作频段覆盖1.65至8 GHz，包括蓝牙、Wi-Fi和5G等主流通信波段。模拟分析表明，尽管天线表面密集排布了168个超表面单元，但其阻抗匹配、表面电流分布和辐射方向图均与传统PCB天线高度一致。单元尺寸虽经变化，但对天线性能影响甚微，成功实现了机械变形与电磁功能的解耦。

图2. 机械超表面的数值热响应。a) 单元结构示意图。b) 站立角示意图。c) 基于实际参数的不同温度下模型状态。d) 在固定温度下站立角与散热性能的关系（插图为基于函数近似模型的结果）。e) 站立角、温度与风速之间的关系（纵轴“温度”表示数值模拟中获得的最低表面温度）。

图3. MMI天线的数值分析。a) 单元平贴状态下的天线配置。b) 单元翘起状态下的天线配置。c) 不同天线与条件下的S11仿真结果。d) 不同单元尺寸下的S11仿真结果（尺寸1：10 mm × 2.5 mm；尺寸2：9 mm × 2.0 mm；尺寸3：8 mm × 1.5 mm）。e) PCB与MMI天线在不同频率和状态下的表面电流分布。f) 不同频率和状态下的远场方向图仿真结果（“单元上”表示单元处于翘起状态，“单元下”表示单元平贴于基底）。

在材料制备方面，团队采用两步交联法与单轴拉伸工艺，制备出大面积、均匀的液晶弹性体-铜复合薄膜。偏振光学显微镜图像显示，薄膜在不同偏振方向下透光率存在明显波动；广角X射线散射与偏振傅里叶变换红外光谱进一步证实了液晶分子沿拉伸方向的有序排列。扫描电镜与能谱分析则揭示了薄膜截面结构中碳、氧、硫、铜元素的均匀分布，体现了良好的结构完整性与层间粘附性。

图4. 机械超表面的合成。a) 用于合成LCE薄膜的化学组分分子结构。b) LCE薄膜的制备流程。c) 取向LCE薄膜的偏振光学显微镜图像。d) p-LCE与m-LCE薄膜的强度与方位角关系（插图为相应的WAXS图谱）。e) 取向LCE薄膜的二向色性比。f) 截面扫描电镜图像。g) Cu-LCE复合薄膜中碳、氧、硫、铜元素的分布。

实验环节中，研究人员首先监测了超表面单元在不同温度下的实际状态：从20°C时的平贴状态逐步过渡至70°C时的近直立状态，有效扩大了散热面积。热循环、湿热与紫外老化测试验证了其良好的稳定性与重复性。在天线级测试中，机械超表面集成天线在无外部冷却条件下，比传统PCB天线平均温度低约5°C；在风扇辅助下，散热效果进一步改善。在-20°C低温环境中，单元平贴闭合散热通道，使系统从50°C降至0°C的时间延长了13分钟，显示出良好的保温能力。

为进一步验证其在实际设备中的适用性，团队还将超表面应用于智能手机主板与电池区域。在室温游戏场景下，超表面使CPU温度降至74.7°C，较铜箔方案降低约5.8%；电池温度也得到有效控制。在-15°C低温环境中，主板区域的超表面仍处于散热模式，而电池区域则切换为保温模式，使电池温度比铜箔方案高2°C，有助于维持电池在低温下的性能。

图5. 热响应的实验验证。a) MMI天线的实景照片。b) 单元在不同温度下的状态。c) 单元表面温度与站立角的关系。d) 热老化测试结果。e) 散热测试装置示意图与结果。f) 保温测试装置示意图与结果。g) 超表面应用于主板与电池的照片。h) 25°C环境下游戏过程中主板温度-时间曲线。i) 25°C环境下电池温度-时间曲线。j) –5°C环境下主板温度-时间曲线。k) –5°C环境下电池温度-时间曲线。

最后，研究人员对集成超表面的天线进行了电磁辐射性能测试。结果表明，无论是在加热前后还是强制单元翘起状态下，天线的阻抗带宽、辐射效率、增益和方向图均与原始PCB天线基本一致，未因结构变形而出现性能波动。这一系列实验充分证明了该机械超表面在实现自适应热管理的同时，不会对设备的电磁功能造成干扰。

图6. 电磁响应的实验验证。a) 天线电磁性能测试装置。b) 不同天线与条件下的S11测量结果。c) 不同天线与条件下的效率测量结果。d) 不同天线与条件下的增益测量结果。e) 不同频率和状态下的远场方向图测量结果。

综上所述，本研究成功开发了一种零功耗、自适应的机械超表面技术，能够根据环境温度动态切换散热与保温模式，有效解决了电子设备中热管理的核心矛盾。通过巧妙的深亚波长结构设计，实现了热-机械响应与电磁性能的解耦，为高性能集成电子系统提供了全新的热管理策略。该技术不仅在通信设备中具有广泛应用前景，也有望推动可穿戴设备、智能终端等领域的下一代热管理解决方案发展。