北京大学刘忠范院士、张艳锋教授《Adv. Mater.》：基于石墨烯/陶瓷复合材料的新一代级联式压电换能器

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一、研究背景

压电换能器（PET）被广泛应用于声呐、声悬浮、超声聚焦等关系到国防科技和国计民生的众多领域中。随着对器件小型化、高集成度等方面要求的不断攀升，两个制约PET发展的瓶颈问题逐渐浮现，一是器件内部应力集中位置处的自发生热效应会造成严重的共振频率漂移、振幅衰减及使用寿命缩减；二是传统金属基散热组件与压电陶瓷之间的阻抗匹配效果差，导致电声能量转换效率衰减严重。发展新型热管理材料和器件结构是相关领域的研究前沿，也是克服PET在实际应用中性能瓶颈问题的关键。
二、文章简介
近日，北京大学纳米化学研究中心和北京石墨烯研究院的刘忠范院士和张艳锋教授团队在《Adv. Mater.》期刊上发表了题为“Designing New-Generation Piezoelectric Transducers by Embedding Superior Graphene-Based Thermal Regulators”的文章（DOI: 10.1002/adma.202103141），论文第一作者为单俊杰博士。该课题组为了突破传统PET所面临的两大技术瓶颈，以提升高功率PET电声能量转换效率以及内部自发散热效率为双重目标导向，从石墨烯基新型热管理材料的制备入手，到高效嵌入式热管理组件的构筑，再到新一代级联式压电换能器（CPET）的设计，为石墨烯基复合材料在热管理领域的实际应用提供了新的方向，有可能推动压电器件体系的革新换代。
三、研究内容
1、新一代石墨烯/氮化铝陶瓷基CPET的结构及内部散热性能优势
传统高功率PET在工作过程中，会产生高频纵向振动。在一个振动周期内，PET内部的应力主要集中在中间节点位置，导致显著的温度升高和不均匀的热量分布，所引起的共振频率漂移和振幅衰减等问题会严重影响器件的工作性能。该课题组所设计的新一代石墨烯/氮化铝陶瓷基CPET，有助于将内部产生的热量均匀散开并及时、有效地驱散到周围环境中。
 
图1 新一代石墨烯/氮化铝陶瓷基CPET与传统CPET器件结构及内部散热性能对比示意图。图片来源：Adv. Mater. 2、多维石墨烯/氮化铝陶瓷复合材料的合成及表征
该课题组首次利用两步化学气相沉积（CVD）法, 实现了多维（multi-D, 3D/2D）取向石墨烯同质结在多孔状氮化铝散热陶瓷孔隙及表面的同步、原位、可控生长，获得了高质量multi-D石墨烯/氮化铝散热陶瓷基新型热管理材料。
 
图2. 多维石墨烯/氮化铝陶瓷复合材料的合成及表征。图片来源：Adv. Mater. 3、多维石墨烯/氮化铝陶瓷复合材料基热管理组件的构筑及性能研究
该课题通过在氮化铝散热陶瓷基高效热沉层上构筑石墨烯基多向声子逃逸通道，实现了一种全新的匀热、传热、散热一体化热管理模式，并基于此构筑了具有独特的“三明治”结构的新型嵌入式热管理组件，实现了阶梯式高效、均匀的散热过程。 
图3. 多维石墨烯/氮化铝陶瓷复合材料基热管理组件的性能表征。图片来源：Adv. Mater. 4、新一代CPET的构筑及电声能量转换性能研究
器件工作性能表征结果显示：与嵌入金属基热管理组件的传统结构CPET相比，该课题组所设计构筑的新一代CPET可获得明显增强的电声能量转换效率及振幅。这主要得益于石墨烯/氮化铝陶瓷复合材料与CPET内部的核心压电能量转换单元（压电陶瓷）之间具有极好的阻抗匹配。与此同时，新一代CPET在长时间工作下的稳定性也得到明显提升。
 
图4. 新一代CPET电声能量转换效率评估。图片来源：Adv. Mater. 5、新一代CPET工作状态及自发散热性能研究
器件工作状态表征结果显示：在嵌入新型石墨烯/氮化铝陶瓷基热管理组件后，新一代CPET的振动模态和水声声场几乎保持不变，表明器件可以保持原有良好的工作状态。另外，与传统结构CPET相比，新一代CPET内部自加热效应造成的温度升高可降低~60%。
 
图5. 新一代CPET的工作状态及自发散热性能评估。图片来源：Adv. Mater. 四、总结与展望

本文报道了基于多维石墨烯/陶瓷复合材料的新一代CPET的设计、构筑及性能研究。与嵌入金属基热管理组件的传统结构CPET相比，新一代CPET具有优异的电声能量转换效率及内部自发散热效果，有助于推动压电器件体系的革新换代。 五、致谢

感谢国家重点研发计划（No. 2016YFA0200103），国家自然科学基金（Nos. 51925201, 52021006），北京市自然科学基金（No. 2214085），北京市科技计划项目（No.Z201100008720001）及北京分子科学国家研究中心资助（BNLMS-CXTD-202001）对本研究的支持。 论文信息：Title: Designing New-Generation Piezoelectric Transducers by Embedding Superior Graphene-Based Thermal RegulatorsAuthors: Junjie Shan, Sha Wang, Fan Zhou, Jingyi Hu, Qingqing Liu, Shuyu Lin, Yanfeng Zhang*, Zhongfan Liu*Published in: Adv. Mater. 2021, 2103141, DOI: 10.1002/adma.202103141

作者简介

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刘忠范院士简介 

刘忠范，北京大学博雅讲席教授，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，中组部首批万人计划杰出人才，教育部首批长江学者，首批国家杰出青年科学基金获得者。英国物理学会会士，英国皇家化学会会士，中国微米纳米技术学会会士，中国化学会副理事长、中关村石墨烯产业联盟理事长及专家委员会主任委员、北京石墨烯科技创新专项（2016-2025）专家委员会主任、中关村科技园区丰台园科协第三届委员会主席、中国国际科技促进会副会长。主要从事纳米碳材料、二维原子晶体材料和纳米化学研究，在石墨烯、碳纳米管的化学气相沉积生长方法研究领域做出了一系列开拓性和引领性的工作，是国际上具有代表性的纳米碳材料研究团队之一。发表SCI检索学术论文600余篇，申请中国发明专利130余项。近年来在石墨烯研究领域不断取得重要突破，发明了超级石墨烯玻璃、超级石墨烯光纤、超洁净石墨烯、标号石墨烯、石墨烯的光化学能带工程等一系列新概念和新技术，推动了石墨烯领域的快速发展。

课题组主页：
https://www.chem.pku.edu.cn/cnc/cn/

张艳锋教授简介

张艳锋，北京大学材料学院教授，2012年获国家优秀青年科学基金资助，2015年入选教育部长江学者计划“青年项目”，国家杰出青年科学基金获得者（2019）。2005年于中国科学院物理研究所获博士学位，师从薛其坤院士。2006-2009年在日本东北大学多元物质科学研究所进行博士后研究，担任JSPS研究员。2010年回国担任北京大学工学院研究员。主要从事石墨烯等二维层状材料的可控制备、精密表征和应用探索，在二维量子薄膜、二维层状材料（石墨烯、氮化硼、单层过渡族金属硫属化合物）及其异质结构的可控制备/构筑、精密表征和新奇物理化学特性等方面取得了系列创新性成果。迄今在Science、Nature Communications、Advanced Materials等期刊发表论文200余篇；在国内外学术会议上做邀请报告30余次。近五年来，作为课题负责人主持了科技部重点研发计划，科技部量子调控重大项目子课题、国家自然科学基金重大项目子课题、优秀青年科学基金、面上项目等多项科研项目。

课题组主页：
https://yfzhang.pku.edu.cn/

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202103141

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