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《自然·通訊》:用泡沫石墨烯給芯片和鋰離子電池“穿上”可連續調節冷熱的“外衣”
更新時間:2021-08-17 瀏覽數:

  眾所周知人類能舒適生活的溫度范圍是較小的,所以要在夏天穿上短袖散熱,冬天穿上棉襖保溫。有意思的是,很多電子器件,比如芯片和鋰離子電池,有的甚至比人體還“嬌貴”,能舒適工作的溫度范圍更小。在環境溫度或它們的工作負荷發生很大變化時,能否給它們“穿上”能自動調節冷熱的“外衣”呢?


  近日,普渡大學Xiulin Ruan教授與Amy Marconnet教授合作在電子器件動態熱管理技術研究上取得進展,相關成果以“Wide-Range Continuously Tunable, and Fast Thermal Switching Based on Compressible Graphene Composite Foams”為題,在線發表于Nature Communications。博士后杜婷婷(現任教山東大學能源與動力工程學院)與博士研究生Zixin Xiong為論文共同一作。

研究背景
  芯片、鋰離子電池等電子器件的發展日新月異,但是在過熱過冷或高負荷的情況下, “熱失控”和“低溫效應”常常導致它們性能衰減甚至安全隱患。比如,在寒冷的環境中,手機可能無法啟動,電動汽車可能損失一半的行駛里程。建立有效的有效的動態散熱和保溫措施是解決因環境溫度和運行工況變化而引發器件性能改變的主要途徑。目前,大多數電子設備使用的被動熱管理技術是不可調節的,尤其是在寒冷環境中,起不到保溫作用。為解決這一問題,類比電開關,研究者們相繼開發了氣隙式、液橋式、全固態等類型的“熱開關”,即開關接通時,實現散熱;開關斷開時,實現保溫。然而,這類系統往往只能100%開著或關閉,缺乏根據設備內外溫度變化而進行連續調節的能力。其它的困難還包括開關比太小、響應速度慢、或很難大規模制造或應用。為此,本研究提出了一種能夠實現熱阻大范圍連續可調和簡單快速的“熱開關”,或可稱為熱變阻器,與電學里面的電阻變阻器對應。

可壓縮泡沫石墨烯復合材料
  該連續可調“熱開關”采用可壓縮石墨烯復合泡沫(95%石墨烯,5%PDMS)設計而成。石墨烯泡沫由化學氣相沉積法制備,厚1.2mm,密度85mg/cm3。SEM圖像顯示,未壓縮狀態下的泡沫孔隙直徑約為150~350m(見圖1)。


圖1 氣相沉積法制備多孔石墨烯泡沫的SEM圖像:(a)高倍放大顯示下孔徑形狀及尺寸;(b)低倍放大顯示下孔隙直徑及結構。


測量證明熱導連續可調
  利用高分辨率紅外顯微鏡測量不同壓縮程度下的石墨烯復合泡沫熱導率,并通過分子動力學模擬揭示該壓縮過程中熱輸運變化的微觀機制。作者在圖2(a)和(b)分別給出了實驗裝置模型及基于穩態測量法的“三明治”試樣圖片。通過實驗證實,當石墨烯泡沫從1.2mm壓縮到約0.2mm時(壓縮率~85%),熱導增加了8倍(見圖2(c)(d))。分子動力學模擬結果證明,石墨烯復合泡沫的導熱率隨壓縮形變而變化,但有趣的是其變化趨勢反常。根據一般的多孔介質熱導率理論,壓縮會造成材料的密度增大,從而增加熱導率,但是模擬結果卻表明壓縮起初會造成熱導率下降。我們提出了一個簡單的一維“彈簧”模型來解釋這個反常行為。熱導率的變化起初遵循“彈簧”,隨后顯示等效介質理論的特征(見圖2(e)(f))。



圖2 石墨烯復合泡沫的熱學性能及分子動力學模擬:(a)紅外顯微鏡測量裝置示意圖;(b)“三明治”法實驗試樣;(c)在不同壓縮程度下,石墨烯復合泡沫兩側溫差隨熱流密度的變化;(d)壓縮過程中石墨烯復合泡沫熱導的變化,其中壓縮率~85%與非壓縮狀態下熱導的比值約8.09;(e)石墨烯復合泡沫導熱率的實驗值與MD計算值、一維彈簧模型和等效介質模型的比較;(f)壓縮和未壓縮狀態下的石墨烯泡沫計算模型。


在模擬電子器件上驗證
  為進一步驗證“熱開關”的性能,課題組設計了電子器件模擬運行平臺,分別測量了不同環境溫度和運行工況下,石墨烯復合泡沫對器件溫度的連續調節作用。圖3(a)和(b)表明,當環境溫度在0-30oC變化時,器件與環境的溫差保持相對穩定。這意味著,可壓縮石墨烯復合泡沫可通過改變厚度實現器件溫度的連續調節,即使面對~10oC環境溫度波動,器件也可維持恒定的運行溫度。圖3(c)和(d)證明,當器件自身的熱流密度從1.57kW/m2到6.05 kW/m2變化時,石墨烯復合泡沫維持器件運行溫度(~30oC)時可調節的熱通量達3 kW/m2。


圖3 連續可調“熱開關”性能:(a)熱流密度不變,器件溫度隨環境溫度的變化趨勢;(b)可壓縮石墨烯復合泡沫隨環境溫度變化的連續調節能力;(c)環境溫度不變,器件溫度隨器件自身熱流密度的變化趨勢;(d)可壓縮石墨烯復合泡沫隨熱流密度變化的連續調節能力


可靠性和響應時間驗證
  實驗還測量了 “熱開關”的可靠性和響應時間。10次循環測試結果顯示(如圖4(a)),石墨烯復合泡沫反復壓縮過程中的熱學性能穩定,系統平均開關比標準誤差僅有2%。圖4(b)顯示,從一個全壓縮狀態(“ON”)到未壓縮狀態(“OFF”)過程中器件升溫至穩定狀態需要22.1分鐘,而逆向過程僅需要10.7分鐘,這說明該“熱開關”具有良好的保溫功能和較快的散熱性能,這對防止熱失控或設備損壞具有重要意義。



圖4 “熱開關”的穩定性與響應時間:(a)在未壓縮和全壓縮狀態下,器件與環境溫差的10次循環特性;(b)典型循環壓縮過程中瞬態溫度響應曲線。

  該研究的最大意義在于, 提出了一種基于可壓縮石墨烯復合泡沫的全固態、寬范圍連續可調、簡單快速的“熱開關”和“熱變阻器”。其性能的可靠性和合理的響應時間使它以及其它可壓縮泡沫材料有望成為促進動態熱管理技術發展的優選材料。

文章信息:
Tingting Du, Zixin Xiong, Luis Delgado, Weizhi Liao, Joseph Peoples, Rajath Kantharaj, Prabudhya Roy Chowdhury, Amy Marconnet*, Xiulin Ruan*, Wide range continuously tunable and fast thermal switching based on compressible graphene composite foams, Nature Communications 12, 4915 (2021) 
全文鏈接:
doi.org/10.1038/s41467-021-25083-8

文章來源:公眾號【高分子科學前沿】

原文鏈接:https://mp.weixin.qq.com/s/KZHPq_t2f2bBPZgqwGc6Mg

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