《自然·通訊》：用泡沫石墨烯給芯片和鋰離子電池“穿上”可連續(xù)調(diào)節(jié)冷熱的“外衣”
閱讀次數(shù)：607 更新時(shí)間：2021-08-17
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(huán)境溫度或它們的工作負(fù)荷發(fā)生很大變化時(shí)，能否給它們“穿上”能自動(dòng)調(diào)節(jié)冷熱的“外衣”呢？
近日，普渡大學(xué)Xiulin Ruan教授與Amy Marconnet教授合作在電子器件動(dòng)態(tài)熱管理技術(shù)研究上取得進(jìn)展，相關(guān)成果以“Wide-Range Continuously Tunable, and Fast Thermal Switching Based on Compressible Graphene Composite Foams”為題，在線發(fā)表于Nature Communications。博士后杜婷婷（現(xiàn)任教山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)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(fā)展日新月異，但是在過熱過冷或高負(fù)荷的情況下， “熱失控”和“低溫效應(yīng)”常常導(dǎo)致它們性能衰減甚至安全隱患。比如，在寒冷的環(huán)境中，手機(jī)可能無法啟動(dòng)，電動(dòng)汽車可能損失一半的行駛里程。建立有效的有效的動(dòng)態(tài)散熱和保溫措施是解決因環(huán)境溫度和運(yùn)行工況變化而引發(fā)器件性能改變的主要途徑。目前，大多數(shù)電子設(shè)備使用的被動(dòng)熱管理技術(shù)是不可調(diào)節(jié)的，尤其是在寒冷環(huán)境中，起不到保溫作用。為解決這一問題，類比電開關(guān)，研究者們相繼開發(fā)了氣隙式、液橋式、全固態(tài)等類型的“熱開關(guān)”，即開關(guān)接通時(shí)，實(shí)現(xiàn)散熱；開關(guān)斷開時(shí)，實(shí)現(xiàn)保溫。然而，這類系統(tǒng)往往只能100%開著或關(guān)閉，缺乏根據(jù)設(shè)備內(nèi)外溫度變化而進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)的能力。其它的困難還包括開關(guān)比太小、響應(yīng)速度慢、或很難大規(guī)模制造或應(yīng)用。為此，本研究提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)熱阻大范圍連續(xù)可調(diào)和簡(jiǎn)單快速的“熱開關(guān)”，或可稱為熱變阻器，與電學(xué)里面的電阻變阻器對(duì)應(yīng)。
可壓縮泡沫石墨烯復(fù)合材料 該連續(xù)可調(diào)“熱開關(guān)”采用可壓縮石墨烯復(fù)合泡沫（95%石墨烯，5%PDMS）設(shè)計(jì)而成。石墨烯泡沫由化學(xué)氣相沉積法制備，厚1.2mm，密度85mg/cm3。SEM圖像顯示，未壓縮狀態(tài)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(jié)構(gòu)。
測(cè)量證明熱導(dǎo)連續(xù)可調(diào) 利用高分辨率紅外顯微鏡測(cè)量不同壓縮程度下的石墨烯復(fù)合泡沫熱導(dǎo)率，并通過分子動(dòng)力學(xué)模擬揭示該壓縮過程中熱輸運(yùn)變化的微觀機(jī)制。作者在圖2（a）和（b）分別給出了實(shí)驗(yàn)裝置模型及基于穩(wěn)態(tài)測(cè)量法的“三明治”試樣圖片。通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)石墨烯泡沫從1.2mm壓縮到約0.2mm時(shí)（壓縮率~85%），熱導(dǎo)增加了8倍（見圖2（c）（d））。分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果證明，石墨烯復(fù)合泡沫的導(dǎo)熱率隨壓縮形變而變化，但有趣的是其變化趨勢(shì)反常。根據(jù)一般的多孔介質(zhì)熱導(dǎo)率理論，壓縮會(huì)造成材料的密度增大，從而增加熱導(dǎo)率，但是模擬結(jié)果卻表明壓縮起初會(huì)造成熱導(dǎo)率下降。我們提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的一維“彈簧”模型來解釋這個(gè)反常行為。熱導(dǎo)率的變化起初遵循“彈簧”，隨后顯示等效介質(zhì)理論的特征（見圖2（e）（f））。
圖2 石墨烯復(fù)合泡沫的熱學(xué)性能及分子動(dòng)力學(xué)模擬：（a）紅外顯微鏡測(cè)量裝置示意圖；（b）“三明治”法實(shí)驗(yàn)試樣；（c）在不同壓縮程度下，石墨烯復(fù)合泡沫兩側(cè)溫差隨熱流密度的變化；（d）壓縮過程中石墨烯復(fù)合泡沫熱導(dǎo)的變化，其中壓縮率~85%與非壓縮狀態(tài)下熱導(dǎo)的比值約8.09；（e）石墨烯復(fù)合泡沫導(dǎo)熱率的實(shí)驗(yàn)值與MD計(jì)算值、一維彈簧模型和等效介質(zhì)模型的比較；（f）壓縮和未壓縮狀態(tài)下的石墨烯泡沫計(jì)算模型。
在模擬電子器件上驗(yàn)證 為進(jìn)一步驗(yàn)證“熱開關(guān)”的性能，課題組設(shè)計(jì)了電子器件模擬運(yùn)行平臺(tái)，分別測(cè)量了不同環(huán)境溫度和運(yùn)行工況下，石墨烯復(fù)合泡沫對(duì)器件溫度的連續(xù)調(diào)節(jié)作用。圖3（a）和（b）表明，當(dāng)環(huán)境溫度在0-30oC變化時(shí)，器件與環(huán)境的溫差保持相對(duì)穩(wěn)定。這意味著，可壓縮石墨烯復(fù)合泡沫可通過改變厚度實(shí)現(xiàn)器件溫度的連續(xù)調(diào)節(jié)，即使面對(duì)~10oC環(huán)境溫度波動(dòng)，器件也可維持恒定的運(yùn)行溫度。圖3（c）和（d）證明，當(dāng)器件自身的熱流密度從1.57kW/m2到6.05 kW/m2變化時(shí)，石墨烯復(fù)合泡沫維持器件運(yùn)行溫度（~30oC）時(shí)可調(diào)節(jié)的熱通量達(dá)3 kW/m2。
圖3 連續(xù)可調(diào)“熱開關(guān)”性能：（a）熱流密度不變，器件溫度隨環(huán)境溫度的變化趨勢(shì)；（b）可壓縮石墨烯復(fù)合泡沫隨環(huán)境溫度變化的連續(xù)調(diào)節(jié)能力；（c）環(huán)境溫度不變，器件溫度隨器件自身熱流密度的變化趨勢(shì)；（d）可壓縮石墨烯復(fù)合泡沫隨熱流密度變化的連續(xù)調(diào)節(jié)能力
可靠性和響應(yīng)時(shí)間驗(yàn)證 實(shí)驗(yàn)還測(cè)量了 “熱開關(guān)”的可靠性和響應(yīng)時(shí)間。10次循環(huán)測(cè)試結(jié)果顯示（如圖4（a）），石墨烯復(fù)合泡沫反復(fù)壓縮過程中的熱學(xué)性能穩(wěn)定，系統(tǒng)平均開關(guān)比標(biāo)準(zhǔn)誤差僅有2%。圖4（b）顯示，從一個(gè)全壓縮狀態(tài)（“ON”）到未壓縮狀態(tài)（“OFF”）過程中器件升溫至穩(wěn)定狀態(tài)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(guān)”具有良好的保溫功能和較快的散熱性能，這對(duì)防止熱失控或設(shè)備損壞具有重要意義。
圖4 “熱開關(guān)”的穩(wěn)定性與響應(yīng)時(shí)間：（a）在未壓縮和全壓縮狀態(tài)下，器件與環(huán)境溫差的10次循環(huán)特性；（b）典型循環(huán)壓縮過程中瞬態(tài)溫度響應(yīng)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(fù)合泡沫的全固態(tài)、寬范圍連續(xù)可調(diào)、簡(jiǎn)單快速的“熱開關(guān)”和“熱變阻器”。其性能的可靠性和合理的響應(yīng)時(shí)間使它以及其它可壓縮泡沫材料有望成為促進(jìn)動(dòng)態(tài)熱管理技術(shù)發(fā)展的優(yōu)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
