大功率绝缘栅双极晶体管（又称IGBT）作为高铁列车电能转换与传输的核心半导体功率器件，其性能直接决定了高铁列车牵引系统的牵引效率、运行速度以及能耗水平等三大关键指标。随着高铁IGBT模块的功率持续攀升至万瓦级，其热管理挑战日益严峻。

中国科学院理化技术研究所低温科学与技术全国重点实验室低温材料及应用超导研究中心功能陶瓷组李永团队在高铁列车大功率IGBT器件热管理领域取得新进展。针对上述热管理需求，团队创新性的提出了一种基于高辐射率和高热导率协同作用的涂层辐射散热强化调控技术（Exploration, 2023, 20230085, 1-9;ACS Appl. Electron. Mater., 2024, 6, 6776-6784; Compos. Commun., 2023, 40, 101596），成功解决了传统辐射冷却涂层在高功率IGBT模块散热器表面辐射冷却效能差、传热热阻高等问题，实现了IGBT模块热管散热器表面辐射散热强化（Appl. Therm. Eng., 2025, 262, 125307），显著提升了高功率IGBT模块热管理效能。

为进一步提升高功率IGBT模块热管散热换热效能，近日，该研究团队采用了一种新的表面工程化策略，在热管散热器翅片表面构筑无树脂多级结构高发射率涂层（hierarchical resin-free coating, HRC）。该策略创新性地采用石墨烯和六方氮化硼纳米片（h-BNNS）作为功能填料，通过“基层湿法化学腐蚀” 结合“填料硅烷偶联”工艺，在热管散热器表面构建具有多级结构的“石墨烯/h-BNNS”复合辐射散热涂层。通过涂层表面的二维纳米片晶格振动与多级结构电场极化调控的协同作用显著增强了热辐射效能，同时，利用石墨烯与h-BNNS的声子谱匹配降低填料间接触热阻，提升涂层热流密度。高铁大功率IGBT模块模拟工况下的散热试验结果表明，与未涂覆涂层散热器相比，在1.5 kW热负荷下，表面涂覆涂层的热管散热器在风速为1 ~ 5 m/s时，IGBT模块温度降低了3.1 ~ 9.9℃，总热阻降低了16.7 %，显著提升了高铁IGBT高功率模块的热管理效能。

该研究成果以Radiation-enhanced heat pipe radiator via surface-engineered hierarchical resin-free coating for effective passive heat dissipation of high-power electronic modules为题在Advanced Functional Materials杂志上发表。中国科学院理化技术研究所为第一完成单位；该文章通讯作者为中国科学院理化技术研究所李永正高级工程师、杨辉高级工程师和香港理工大学许林利助理教授。中国科学院理化技术研究所2022级硕士研究生任月和山东高等技术研究院吴小虎研究员为文章共同第一作者。山东大学秦宁教授团队为该工作的传热仿真提供协助，中国科学院理化所功能陶瓷组李江涛研究员为本研究提供了专业指导和帮助。

研究工作得到了科技部重点研发计划（项目编号：2022YFE0201200）、国家自然科学基金“功能基元序构基础研究重大研究计划”(项目编号：922632057)、国家自然科学基金（项目编号：52003277）及内地与香港联合资助计划-创新及科技基金（项目编号MHP/005/21）等的资助支持。

基于上述研究工作成果，项目团队与辽宁和天精工科技有限公司合作研发出了高性能辐射冷却热管散热器，并通过委托大连容辉科技有限公司销售，成功实现了在我国大马力HXN3B型内燃机车IGBT模块热管理方面的规模化工程应用，装车量达到了150辆。HXN3B型内燃机车由中车大连机车车辆有限公司研发及生产，是国内现役最大功率的货运内燃机车，其机车牵引功率可达2700kW，代表了我国内燃机车的最高水平。该内燃机车头IGBT功率器件的散热器功率可达12000W，其散热器不仅要具备高的换热效率，还要满足质量轻、体积小等技术要求，是该内燃动力机车的关键部件。服役情况表明：本团队开发的散热器在使用过程中性能稳定、散热效果显著，对内燃机车IGBT高功率器件的安全、稳定运行发挥了关键作用。上述研究和工程应用成果有望为我国新基建七大领域中量大面广的IGBT功率器件之热管理提供一条“被动辐射冷却”新途径。

论文链接： https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202505039

图1. HRC的应用场景和制备。a) 应用于高速铁路的IGBT功率元件热管散热器示意图。b) 裸铝和HRC涂覆铝表面的热传递以及二维纳米片在刻蚀基板上强粘附的机制示意图。c) HRC涂覆铝热管散热器制备示意图。通过球磨制备石墨烯和h-BN纳米片复合材料，并用硅烷偶联剂改性，同时通过化学刻蚀制备微结构。然后将HRC喷涂到刻蚀的铝热管散热器上。此外，氟硅烷（1H,1H,1H,2H-全氟癸基三甲氧基硅烷）可以通过化学气相沉积（CVD）粘附到涂层上，用于需要自清洁性能的应用。

图2. HRC的微观结构和光谱特性。a) 裸铝、刻蚀铝和HRC涂覆铝的SEM图像。b) 裸铝、刻蚀铝和HRC表面的三维扫描模式图像。c) 裸铝、刻蚀铝和HRC涂覆铝的红外光谱发射率和光谱辐照度。d) HRC在入射角为0°至90°范围内的波长依赖性非偏振发射率。e) HRC优异红外吸收/发射特性的示意图。f) 粗糙铝基板的三维几何模型。g) 粗糙铝在波长为6、16和20 μm时的x-z平面电场强度分布。

图3. 在1.5 kW热负荷下HRC在热管散热器上的热实验。a) 空白热管散热器和HRC涂覆热管散热器的照片。b) 强制对流场景下热管散热器性能评估的实验装置示意图。c) 不同风速下HRC涂覆和未涂覆散热器基板的实验和模拟最高温度。d) 不同风速下HRC涂覆和未涂覆热管散热器的实验和模拟热阻。e) 不同风速下HRC涂覆和未涂覆热管散热器的模拟辐射和对流热阻。f) 风速为1 m/s时空白热管散热器和热源的模拟温度分布。g) 风速为1 m/s时HRC涂覆热管散热器和热源的模拟温度分布。

图4. 辐射冷却热管散热器在大马力机车IGBT器件热管理应用证明与工程应用实物照片