南开大学马儒军教授课题组等AEM：高效静电驱动双单元电卡制冷装置
南开大学材料科学与工程学院马儒军课题组和合作者设计了一种基于改性的P(VDF-TrFE-CFE)双层聚合物薄膜作为核心制冷元素的双单元电卡制冷装置，该装置相对于单层静电驱动电卡制冷装置具有显著提升的温度跨度和制冷能力。
当今，作为电子设备核心的芯片的集成度越来越高，以满足电子设备功能多样化的需求，同时，由于集成度过高带来的器件的失效问题尤其是热失效问题也越来越突出，目前电子器件的所有失效问题中，热失效率约占55%。因此，设计一种可小型化、高效环保的制冷器来解决高集成度电子芯片的散热问题刻不容缓。而目前最常用的基于蒸气压缩循环的制冷技术，一方面由于压缩机的存在导致器件难以微型化，另一方面氟利昂等制冷剂的使用会导致臭氧层破坏等环境问题。基于铁电材料相变产生的电卡效应(ECE)进行制冷作为一种新型的制冷技术，具有易于微型化、高效、环保等优势，因此有望应用于电子芯片的制冷。
考虑到电卡材料的升温及冷却都是自身产生，因此需要存在移动介质去进行有效的热传递。目前的电卡制冷器大多使用电机来驱动电卡材料或者使用泵来泵送液体来实现持续的制冷，这些额外的部件会引起寄生功率的消耗变大及器件复杂程度的增加。2017年，裴启兵教授团队采用静电驱动的方式使铁电聚合物P(VDF-TrFE-CFE)薄膜在热源和散热器之间往复运动制备的小型制冷器大大提高了器件的制冷效率并降低了电卡制冷器件的复杂程度。然而，其温度跨度依然较小,限制了其应用。因此，如何提高其温度跨度，从而提升其制冷能力和应用范围是一个亟待解决的问题。
近日，南开大学材料科学与工程学院马儒军课题组进一步提高了静电驱动电卡制冷器的冷却性能：在这个工作中，一种有机增塑剂邻苯二甲酸二辛酯（DOP）作为填料通过简单的共混工艺使其分散在聚合物基体中，使得到的P(VDF-TrFE-CFE)/DOP复合材料薄膜的电卡强度得到有效提升。然后，以P(VDF-TrFE-CFE)/DOP复合薄膜作为制冷核心元素制备了双单元静电驱动的电卡制冷装置，进一步提高了该装置的温度跨度和制冷能力，实现了4.8 K的大温度跨度，是单单元装置的1.71倍。制冷功率达3.6 W/g，最大COP为 8.3。并且使用此制冷装置冷却比使用空气冷却的CPU表面温度低22.4 K。验证了可以通过改性电卡材料和设计多层结构实现制冷能力的进一步提升。
首先将DOP通过共混法均匀分散于聚合物溶液中，通过两次刮涂的方式制备P(VDF-TrFE-CFE)/DOP双层三电极铁电聚合物复合薄膜，每一层厚度为35 um，两层共70 um，有效制冷面积为2 cm×4 cm。通过DOP改性的复合薄膜的极化性能及电卡性能有显著的提升。
图2. 双单元制冷器件的结构及运转示意
设计双单元静电驱动的电卡制冷装置，通过静电电场的调制使得两个双层铁电聚合物复合薄膜分别在中间传热层和热源/散热器之间呈镜像运动，这样能最大化利用有效制冷面积，减小整体器件尺寸；而使得材料产生电卡效应的电场比静电驱动电场延迟0.05 s，这样做的目的是使薄膜与热源/散热器充分接触换热。这些设计都在一定程度上提高了器件的冷却性能。
图3. 双单元制冷器件的制冷性能表征
进行无负载条件下的制冷能力测试，可以看到双单元制冷器具有比单单元制冷器更高的冷却性能，且在长时间的循环工作的条件下，性能没有明显降低。
图4. 对芯片的冷却性能表征
对电脑CPU进行实际降温测试，在空气中自然冷却的CPU表面温度在80 s的时间即从29.7 ℃升高到82.6 ℃，在芯片过热时仅开启双单元制冷器的静电驱动电场时CPU表面温度升高到70.3 ℃，在芯片过热时开启双单元制冷器件的静电驱动电场及电卡效应的电场时CPU表面温度仅升高到60.2 ℃。
研究者相信，此项研究将会为电卡材料的改性方式及进一步提高电卡制冷器件的制冷能力的方式提供了一种研究思路，同时，也为基于电卡效应的固态制冷器在微电子领域中的应用提供了参考价值。相关工作在线发表于Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.202003771)上。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202003771
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