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《自然·通讯》:用泡沫石墨烯给芯片和锂离子电池“穿上”可连续调节冷热的“外衣”
更新时间:2021-08-17 浏览数:

  众所周知人类能舒适生活的温度范围是较小的,所以要在夏天穿上短袖散热,冬天穿上棉袄保温。有意思的是,很多电子器件,比如芯片和锂离子电池,有的甚至比人体还“娇贵”,能舒适工作的温度范围更小。在环境温度或它们的工作负荷发生很大变化时,能否给它们“穿上”能自动调节冷热的“外衣”呢?


  近日,普渡大学Xiulin Ruan教授与Amy Marconnet教授合作在电子器件动态热管理技术研究上取得进展,相关成果以“Wide-Range Continuously Tunable, and Fast Thermal Switching Based on Compressible Graphene Composite Foams”为题,在线发表于Nature Communications。博士后杜婷婷(现任教山东大学能源与动力工程学院)与博士研究生Zixin Xiong为论文共同一作。

研究背景
  芯片、锂离子电池等电子器件的发展日新月异,但是在过热过冷或高负荷的情况下, “热失控”和“低温效应”常常导致它们性能衰减甚至安全隐患。比如,在寒冷的环境中,手机可能无法启动,电动汽车可能损失一半的行驶里程。建立有效的有效的动态散热和保温措施是解决因环境温度和运行工况变化而引发器件性能改变的主要途径。目前,大多数电子设备使用的被动热管理技术是不可调节的,尤其是在寒冷环境中,起不到保温作用。为解决这一问题,类比电开关,研究者们相继开发了气隙式、液桥式、全固态等类型的“热开关”,即开关接通时,实现散热;开关断开时,实现保温。然而,这类系统往往只能100%开着或关闭,缺乏根据设备内外温度变化而进行连续调节的能力。其它的困难还包括开关比太小、响应速度慢、或很难大规模制造或应用。为此,本研究提出了一种能够实现热阻大范围连续可调和简单快速的“热开关”,或可称为热变阻器,与电学里面的电阻变阻器对应。

可压缩泡沫石墨烯复合材料
  该连续可调“热开关”采用可压缩石墨烯复合泡沫(95%石墨烯,5%PDMS)设计而成。石墨烯泡沫由化学气相沉积法制备,厚1.2mm,密度85mg/cm3。SEM图像显示,未压缩状态下的泡沫孔隙直径约为150~350m(见图1)。


图1 气相沉积法制备多孔石墨烯泡沫的SEM图像:(a)高倍放大显示下孔径形状及尺寸;(b)低倍放大显示下孔隙直径及结构。


测量证明热导连续可调
  利用高分辨率红外显微镜测量不同压缩程度下的石墨烯复合泡沫热导率,并通过分子动力学模拟揭示该压缩过程中热输运变化的微观机制。作者在图2(a)和(b)分别给出了实验装置模型及基于稳态测量法的“三明治”试样图片。通过实验证实,当石墨烯泡沫从1.2mm压缩到约0.2mm时(压缩率~85%),热导增加了8倍(见图2(c)(d))。分子动力学模拟结果证明,石墨烯复合泡沫的导热率随压缩形变而变化,但有趣的是其变化趋势反常。根据一般的多孔介质热导率理论,压缩会造成材料的密度增大,从而增加热导率,但是模拟结果却表明压缩起初会造成热导率下降。我们提出了一个简单的一维“弹簧”模型来解释这个反常行为。热导率的变化起初遵循“弹簧”,随后显示等效介质理论的特征(见图2(e)(f))。



图2 石墨烯复合泡沫的热学性能及分子动力学模拟:(a)红外显微镜测量装置示意图;(b)“三明治”法实验试样;(c)在不同压缩程度下,石墨烯复合泡沫两侧温差随热流密度的变化;(d)压缩过程中石墨烯复合泡沫热导的变化,其中压缩率~85%与非压缩状态下热导的比值约8.09;(e)石墨烯复合泡沫导热率的实验值与MD计算值、一维弹簧模型和等效介质模型的比较;(f)压缩和未压缩状态下的石墨烯泡沫计算模型。


在模拟电子器件上验证
  为进一步验证“热开关”的性能,课题组设计了电子器件模拟运行平台,分别测量了不同环境温度和运行工况下,石墨烯复合泡沫对器件温度的连续调节作用。图3(a)和(b)表明,当环境温度在0-30ºC变化时,器件与环境的温差保持相对稳定。这意味着,可压缩石墨烯复合泡沫可通过改变厚度实现器件温度的连续调节,即使面对~10ºC环境温度波动,器件也可维持恒定的运行温度。图3(c)和(d)证明,当器件自身的热流密度从1.57kW/m2到6.05 kW/m2变化时,石墨烯复合泡沫维持器件运行温度(~30ºC)时可调节的热通量达3 kW/m2


图3 连续可调“热开关”性能:(a)热流密度不变,器件温度随环境温度的变化趋势;(b)可压缩石墨烯复合泡沫随环境温度变化的连续调节能力;(c)环境温度不变,器件温度随器件自身热流密度的变化趋势;(d)可压缩石墨烯复合泡沫随热流密度变化的连续调节能力


可靠性和响应时间验证
  实验还测量了 “热开关”的可靠性和响应时间。10次循环测试结果显示(如图4(a)),石墨烯复合泡沫反复压缩过程中的热学性能稳定,系统平均开关比标准误差仅有2%。图4(b)显示,从一个全压缩状态(“ON”)到未压缩状态(“OFF”)过程中器件升温至稳定状态需要22.1分钟,而逆向过程仅需要10.7分钟,这说明该“热开关”具有良好的保温功能和较快的散热性能,这对防止热失控或设备损坏具有重要意义。



图4 “热开关”的稳定性与响应时间:(a)在未压缩和全压缩状态下,器件与环境温差的10次循环特性;(b)典型循环压缩过程中瞬态温度响应曲线。

  该研究的最大意义在于, 提出了一种基于可压缩石墨烯复合泡沫的全固态、宽范围连续可调、简单快速的“热开关”和“热变阻器”。其性能的可靠性和合理的响应时间使它以及其它可压缩泡沫材料有望成为促进动态热管理技术发展的优选材料。

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) 
全文链接:
doi.org/10.1038/s41467-021-25083-8

文章来源:公众号【高分子科学前沿】

原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s/KZHPq_t2f2bBPZgqwGc6Mg