大功率絕緣柵雙極晶體管（又稱IGBT）作為高鐵列車電能轉換與傳輸的核心半導體功率器件，其性能直接決定了高鐵列車牽引系統的牽引效率、運行速度以及能耗水平等三大關鍵指標。隨著高鐵IGBT模塊的功率持續攀升至萬瓦級，其熱管理挑戰日益嚴峻。

中國科學院理化技術研究所低溫科學與技術全國重點實驗室低溫材料及應用超導研究中心功能陶瓷組李永團隊在高鐵列車大功率IGBT器件熱管理領域取得新進展。針對上述熱管理需求，團隊創新性的提出了一種基于高輻射率和高熱導率協同作用的涂層輻射散熱強化調控技術（Exploration, 2023, 20230085, 1-9;ACS Appl. Electron. Mater., 2024, 6, 6776-6784; Compos. Commun., 2023, 40, 101596），成功解決了傳統輻射冷卻涂層在高功率IGBT模塊散熱器表面輻射冷卻效能差、傳熱熱阻高等問題，實現了IGBT模塊熱管散熱器表面輻射散熱強化（Appl. Therm. Eng., 2025, 262, 125307），顯著提升了高功率IGBT模塊熱管理效能。

為進一步提升高功率IGBT模塊熱管散熱換熱效能，近日，該研究團隊采用了一種新的表面工程化策略，在熱管散熱器翅片表面構筑無樹脂多級結構高發射率涂層（hierarchical resin-free coating, HRC）。該策略創新性地采用石墨烯和六方氮化硼納米片（h-BNNS）作為功能填料，通過“基層濕法化學腐蝕” 結合“填料硅烷偶聯”工藝，在熱管散熱器表面構建具有多級結構的“石墨烯/h-BNNS”復合輻射散熱涂層。通過涂層表面的二維納米片晶格振動與多級結構電場極化調控的協同作用顯著增強了熱輻射效能，同時，利用石墨烯與h-BNNS的聲子譜匹配降低填料間接觸熱阻，提升涂層熱流密度。高鐵大功率IGBT模塊模擬工況下的散熱試驗結果表明，與未涂覆涂層散熱器相比，在1.5 kW熱負荷下，表面涂覆涂層的熱管散熱器在風速為1 ~ 5 m/s時，IGBT模塊溫度降低了3.1 ~ 9.9℃，總熱阻降低了16.7 %，顯著提升了高鐵IGBT高功率模塊的熱管理效能。

該研究成果以Radiation-enhanced heat pipe radiator via surface-engineered hierarchical resin-free coating for effective passive heat dissipation of high-power electronic modules為題在Advanced Functional Materials雜志上發表。中國科學院理化技術研究所為第一完成單位；該文章通訊作者為中國科學院理化技術研究所李永正高級工程師、楊輝高級工程師和香港理工大學許林利助理教授。中國科學院理化技術研究所2022級碩士研究生任月和山東高等技術研究院吳小虎研究員為文章共同第一作者。山東大學秦寧教授團隊為該工作的傳熱仿真提供協助，中國科學院理化所功能陶瓷組李江濤研究員為本研究提供了專業指導和幫助。

研究工作得到了科技部重點研發計劃（項目編號：2022YFE0201200）、國家自然科學基金“功能基元序構基礎研究重大研究計劃”(項目編號：922632057)、國家自然科學基金（項目編號：52003277）及內地與香港聯合資助計劃-創新及科技基金（項目編號MHP/005/21）等的資助支持。

基于上述研究工作成果，項目團隊與遼寧和天精工科技有限公司合作研發出了高性能輻射冷卻熱管散熱器，并通過委托大連容輝科技有限公司銷售，成功實現了在我國大馬力HXN3B型內燃機車IGBT模塊熱管理方面的規模化工程應用，裝車量達到了150輛。HXN3B型內燃機車由中車大連機車車輛有限公司研發及生產，是國內現役最大功率的貨運內燃機車，其機車牽引功率可達2700kW，代表了我國內燃機車的最高水平。該內燃機車頭IGBT功率器件的散熱器功率可達12000W，其散熱器不僅要具備高的換熱效率，還要滿足質量輕、體積小等技術要求，是該內燃動力機車的關鍵部件。服役情況表明：本團隊開發的散熱器在使用過程中性能穩定、散熱效果顯著，對內燃機車IGBT高功率器件的安全、穩定運行發揮了關鍵作用。上述研究和工程應用成果有望為我國新基建七大領域中量大面廣的IGBT功率器件之熱管理提供一條“被動輻射冷卻”新途徑。

論文鏈接： https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202505039

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圖1. HRC的應用場景和制備。a) 應用于高速鐵路的IGBT功率元件熱管散熱器示意圖。b) 裸鋁和HRC涂覆鋁表面的熱傳遞以及二維納米片在刻蝕基板上強粘附的機制示意圖。c) HRC涂覆鋁熱管散熱器制備示意圖。通過球磨制備石墨烯和h-BN納米片復合材料，并用硅烷偶聯劑改性，同時通過化學刻蝕制備微結構。然后將HRC噴涂到刻蝕的鋁熱管散熱器上。此外，氟硅烷（1H,1H,1H,2H-全氟癸基三甲氧基硅烷）可以通過化學氣相沉積（CVD）粘附到涂層上，用于需要自清潔性能的應用。

圖2. HRC的微觀結構和光譜特性。a) 裸鋁、刻蝕鋁和HRC涂覆鋁的SEM圖像。b) 裸鋁、刻蝕鋁和HRC表面的三維掃描模式圖像。c) 裸鋁、刻蝕鋁和HRC涂覆鋁的紅外光譜發射率和光譜輻照度。d) HRC在入射角為0°至90°范圍內的波長依賴性非偏振發射率。e) HRC優異紅外吸收/發射特性的示意圖。f) 粗糙鋁基板的三維幾何模型。g) 粗糙鋁在波長為6、16和20 μm時的x-z平面電場強度分布。

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圖3. 在1.5 kW熱負荷下HRC在熱管散熱器上的熱實驗。a) 空白熱管散熱器和HRC涂覆熱管散熱器的照片。b) 強制對流場景下熱管散熱器性能評估的實驗裝置示意圖。c) 不同風速下HRC涂覆和未涂覆散熱器基板的實驗和模擬最高溫度。d) 不同風速下HRC涂覆和未涂覆熱管散熱器的實驗和模擬熱阻。e) 不同風速下HRC涂覆和未涂覆熱管散熱器的模擬輻射和對流熱阻。f) 風速為1 m/s時空白熱管散熱器和熱源的模擬溫度分布。g) 風速為1 m/s時HRC涂覆熱管散熱器和熱源的模擬溫度分布。

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圖4. 輻射冷卻熱管散熱器在大馬力機車IGBT器件熱管理應用證明與工程應用實物照片