一种具有强电导能力的热绝缘结构制造技术

本发明专利技术涉及一种具有强电导能力的热绝缘结构，其用于实现强导电且热绝缘的功能；包括高电导率材料层、低导电率材料层和热超材料层，高电导率材料层的中间狭道两侧依次设置热超材料层和低导电率材料层；电流在高电导率材料层的中间狭道处流通；热超材料层热导率参数表现为负，与热导率参数为正的中间狭道区域相互抵消，最终表现出的热导率为0，即热绝缘；本发明专利技术提供的一种具有强电导能力的热绝缘结构，导热率与空气相同，属于热绝缘结构，而不是仅仅的低热导率材料；当电流进入该结构时，其可以顺利通过，结构的等效电导率与金属相同；当热流进入该结构时，其无法通过，结构产生与空气类似的热绝缘效果；因此，该结构可产生导电且热绝缘的功能。且热绝缘的功能。且热绝缘的功能。

【技术实现步骤摘要】
一种具有强电导能力的热绝缘结构


[0001]本专利技术涉及一种具有强电导能力的热绝缘结构，其用于实现强导电且热绝缘的功能。

技术介绍

[0002]Wiedemann
‑
FranzLaw给出材料的热导率除以材料电导率和温度的乘积为一个常数(Lorenz常数)：电的良导体往往也是热的良导体(比如金属)，不导热的材料往往也不导电(比如空气)。因此，传统的材料无法实现导电但热绝缘的效果。实现导电但热绝缘的材料可在诸多领域获得应用。比如芯片上的引线通常导电性很好，如果同时热绝缘，就可以在维持芯片中各个电子元件之间电互通的前提下，最大程度地减少电子元件之间的热影响。再比如，一些高亮度LED芯片的基底材料同样要求具备高电导率且低热导率的性质。具有导电同时热绝缘性质的材料，在开发可穿戴智能设备，比如智能服装等方面也有着巨大的应用潜力。此外，高电导率同时也意味着具有优良的电磁屏蔽特性，该材料优良的电磁屏蔽以及热绝缘性质将会使其在重要设备防护、航空航天以及国防应用中得到重要应用。
[0003]目前已有相关研究实现导电热绝缘的材料。然而这些材料只能实现相对较低的热导率(比如室温下0.5～1W/(mK)的热导率)，但是无法实现热绝缘。比如，Sharma利用纳米颗粒镍，在300K温度下实现了电导率为10^5S/m的同时热导率为0.52W/(mK)的材料。2017年，Sangwook等人利用二氧化钒VO2材料，实现了在240～340K温度范围内103～105S/m的高电导率且2～4W/(mK)的低热导率。因此，目前仍然缺乏一种可以实现和金属同样导电效果(铜电导率5.7*10^7S/m)且和空气一样热绝缘(空气热导率0.024W/(mK))效果的导电但热绝缘的结构。

技术实现思路

[0004]为了解决现传统的材料无法实现导电且热绝缘的问题，本专利技术提供了一种用超材料实现具有强电导能力的热绝缘结构。
[0005]本专利技术提供了如下技术方案：一种具有强电导能力的热绝缘结构，包括高电导率材料层、低导电率材料层和热超材料层，高电导率材料层的中间狭道两侧依次设置热超材料层和低导电率材料层；电流在高电导率材料层的中间狭道处流通；热超材料层热导率参数表现为负，与热导率参数为正的中间狭道区域相互抵消，最终表现出的热导率为0，即热绝缘。
[0006]进一步地，热超材料层的热导率满足以下关系：
[0007][H1‑
2up
+H1‑
2down
]*κ1‑2+H1‑1*κ1‑1＝0；
[0008]式中，H1‑
2up
为中间狭道上部分热超材料层的高度，H1‑
2down
为中间狭道下部分热超材料层的高度，κ1‑2为热超材料层热导率，H1‑1为高电导率材料层中间狭道处高度，κ1‑1为高电导率材料层热导率。
[0009]进一步地，高电导率材料层是金属层。
[0010]进一步地，低导电率材料层是空气。
[0011]进一步地，热超材料层由半导体加热制冷片以及所包围的区域共同构成，半导体加热制冷片可以产生热流或冷流。
[0012]与现有技术相比，本专利技术的优势在于：
[0013]本专利技术提供的一种具有强电导能力的热绝缘结构，导热率与空气相同，属于热绝缘结构，而不是仅仅的低热导率材料；当电流进入该结构时，其可以顺利通过，结构的等效电导率与金属相同；当热流进入该结构时，其无法通过，结构产生与空气类似的热绝缘效果；因此，该结构可产生导电且热绝缘的功能。
[0014]该结构无需化学合成，通过宏观材料复合构建，加工工艺简单，不会产生环境污染等问题。
附图说明
[0015]图1为本专利技术的结构示意图；
[0016]图2为铜、空气、本专利技术的具有强电导能力的热绝缘结构分别处于数值模拟稳态时电场分布对比图；
[0017]图3为铜、空气、本专利技术的具有强电导能力的热绝缘结构处于数值模拟稳态时温度场分布对比图；
[0018]图中：1
‑1‑
高电导率材料层；1
‑2‑
热超材料层；1
‑3‑
低导电率材料层。
具体实施方式
[0019]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]如图1所示：一种具有强电导能力的热绝缘结构，包括高电导率材料层、低导电率材料层和热超材料层，高电导率材料层的中间狭道两侧依次设置热超材料层和低导电率材料层；电流在高电导率材料层的中间狭道处流通；热超材料层热导率参数表现为负，与热导率参数为正的中间狭道区域相互抵消，最终表现出的热导率为0，即热绝缘。
[0021]当电流进入该结构时，其可以顺利通过，结构的等效电导率与金属相同；当热流进入该结构时，其无法通过，结构产生与空气类似的热绝缘效果；因此，结构可产生导电且热绝缘的功能。
[0022]热超材料层的热导率满足以下关系：
[0023][H1‑
2up
+H1‑
2down
]*κ1‑2+H1‑1*κ1‑1＝0；
[0024]式中，H1‑
2up
为中间狭道上部分热超材料层的高度，H1‑
2down
为中间狭道下部分热超材料层的高度，κ1‑2为热超材料层热导率，H1‑1为高电导率材料层中间狭道处高度，κ1‑1为高电导率材料层热导率；电导率可以任取。
[0025]高电导率材料层是金属层，也可以换成高电导率且高热导率的其他材料。低导电率材料层是空气，也可以换成低电导率且低热导率的其他材料。热超材料层由半导体加热制冷片以及所包围的区域共同构成，半导体加热制冷片可以产生热流或冷流。
[0026]为了验证
技术实现思路
的效果，选择结构中1
‑
1为长4cm、宽1cm的矩形金属铜板(厚度为2mm)，铜板的热导率400W/(mK)和电导率为5.7*10^7S/m；1
‑
3为上下两个尺寸均为0.4cm
×
0.2cm的矩形空气孔，其热导率和电导率分别为0.024W/(mK)与0S/m；1
‑
2为热超材料层，其上下两个尺寸均为0.4cm
×
0.15cm的热超材料，其热导率为
‑
400W/(mK)，电导率为0S/m。
[0027]为验证结构导电的功能，我们分别对普通的导电导热材料(此处选择为铜)、普通的不导电不导热材料(此处选择为空气)以及本专利技术提出的具有强导电能力的热绝缘结构进行了导电效果的数值模拟(图2)。模拟中边界统一设置为：左侧为高电势(1V)，右侧为低电势(0V)，上下边界为电绝缘边界。模拟结果由图3(上)、(中)、(下)给出，其分别对应了普通的导电导热材料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有强电导能力的热绝缘结构，其特征在于：包括高电导率材料层、低导电率材料层和热超材料层，高电导率材料层的中间狭道两侧依次设置热超材料层和低导电率材料层；电流在高电导率材料层的中间狭道处流通；热超材料层热导率参数表现为负，与热导率参数为正的中间狭道区域相互抵消，最终表现出的热导率为0，即热绝缘。2.根据权利要求1所述的一种具有强电导能力的热绝缘结构，其特征在于，所述的热超材料层的热导率满足以下关系：[H1‑
2up
+H1‑
2down
]*κ1‑2+H1‑1*κ1‑1＝0；式中，H1‑
2up
为...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙非，陈汉川，刘一超，王建刚，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第三十三研究所，
类型：发明
国别省市：