杜婷婷:基于复合石墨烯泡沫的连续可调“热开关”

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近日，能源与动力工程学院硕士生导师杜婷婷博士作为共同第一作者与普渡大学Xiulin Ruan教授、Amy Marconnet教授合作在Nature Communications（2021年IF=14.919）在线发表题为“Wide range continuously tunable and fast thermal switching based on compressible graphene composite foams”的研究论文。文章提出了一种能够实现热阻大范围连续可调且简单快速的“热开关”，或可称“热变阻器”，与电学中的变阻器相对应。该研究为电子器件动态热管理技术发展提供了优选方案。

        当前，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情况下，“热失控”和“低温效应”常常导致它们性能衰减甚至出现安全隐患。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。建立有效的热散失通道和良好的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，如热传导或热对流，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，研究者们开发了不同类型的“热开关”，即开关接通时，实现散热；开关断开时，实现保温。然而，这类系统往往只能在两个状态间切换，要么100%开着，要么100%关着，缺乏根据设备内外温度变化而进行可变调节的能力。其它的困难还包括开关比太小、响应速度慢、或很难大规模应用等。
        为此，该研究采用可压缩复合石墨烯泡沫（95%石墨烯，5%PDMS）设计了一种全固态、宽范围连续可调的“热开关”。利用高清红外显微镜研究复合石墨烯泡沫在压缩过程中的热性能发现，当其从1.2mm厚压缩到约0.2mm时，热导增加了8倍。通过模拟环境温度和运行工况变化场景证实，复合石墨烯泡沫具备根据器件内外温度变化进行温度和热流连续调节的双重功能，改变其厚度，可使器件在~10oC的环境温度波动和~3kW/m2的热流密度变化下，保持恒定的运行温度。循环测试显示，复合石墨烯泡沫的热学性能稳定，从一个全压缩状态（“ON”）到未压缩状态（“OFF”）过程中，其使器件升温至稳定值需要22.1分钟，而逆向过程仅需要10.7分钟，这说明该“热开关”具有较好的保温功能和较快的散热性能，对防止器件性能改变具有重要意义。鉴于热性能的稳定性和热行为的可靠性，复合石墨烯泡沫“热开关”有望在更大尺度上显示相似性能，进而实现在大型电子产品、电动汽车、太空飞行器、乃至生物医学设备上的规模化应用。
        该研究得到国家留学基金委“国际清洁能源拔尖创新人才培养项目”资助，同时获得普渡大学Birck Nanotechnology Center和Flex Lab的支持。相关成果已申请专利。
        文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-25083-8


        文章来源：山东大学