更高更快更强 - 南开大学马儒军教授团队Next Materials首篇重磅启航

第一作者：白培加

单位：南开大学

本文通讯：马儒军

论文doi: 

https://doi.org/10.1016/j.nxmate.2023.100001

【成果简介】

随着微电子器件集成度的不断提高，其发热量呈指数增长。将电卡(Electrocaloric, EC)与微流体相结合的新型制冷技术被认为是一种很有前景的热管理方式。微流体EC制冷装置可以直接嵌入电子器件内部，从而构建高效的热管理系统。

最近，南开大学的马儒军教授团队，研制了一种级联式EC制冷管，通过施加锯齿波电压实现冷量积累并获得持续低温的流体介质。相关成果发表在Elsevier旗下的材料旗舰期刊Next Materials上，题为“A highly efficient cascade electrocaloric cooling tube with enhanced temperature change by sawtooth voltage”。该级联式EC制冷管在提高制冷功率和实现多级制冷积累上开辟了独特的途径。显示了在微电子系统中智能热管理的巨大应用潜力。

【背景介绍】

近几十年来，随着微电子器件集成度的不断提高，其发热量呈指数增长。微电子器件的散热问题逐渐成为该领域的主要挑战之一。然而，传统的散热器难以满足微电子器件的实际散热要求，如基于蒸汽压缩的冷却技术已达到了热力学极限，无法适用电子设备的小尺寸要求。此外，它也面临着许多无法克服的缺点，如成本高、性能系数低(COP在2~4)、环境污染等。基于EC效应的固态制冷技术由于其高COP系数，制冷响应快，且不含氢氟碳化合物气体，广受研究学者的关注。这种高效热管理的制冷技术极有可能取代目前基于蒸汽压缩的冷却系统，并集成到电子设备中以确保其高效冷却运行，在微电子器件的温度调节方面具有重要的应用前景。

将EC效应与微流体相结合新型制冷技术，被认为是一种很有前景的热管理方式，其不仅可以获得连续低温的流体介质，而且还可以提高制冷器件与热源的热交换效率。对此，本工作报道了一种以P(VDF-TrFE-CFE)为基体的级联式EC制冷管。通过复合氮化硼纳米片(BN)和P(VDF-TrFE)，聚合物的杨氏模量提高了112%，热导率提高了90%，有助于降低材料的电致伸缩和提高热交换效率。当流体介质的流速为10 mm/s时，级联EC管的温度跨度高达4.2 K，并在循环运行后可连续提供低温的流体介质并获得冷却负荷。这一工作证明了该级联式EC管在微电子系统中的高效热管理潜力。         

【结果分析】

图1A展示了该级联式EC制冷管的制备方法。首先将聚酰亚胺薄膜(PI, 厚度为30 μm)粘附在干净的玻璃上，并喷涂预先设计好的羧基化单壁碳纳米管(CNTs)电极结构。将预溶解的Blend@BN复合溶液滴铸在PI衬底上，然后在100 ℃下加热2 h使溶剂完全蒸发。将CNTs电极再次喷涂在Blend@BN复合聚合物上，形成级联式电极结构。最后，把PI薄膜剥离并卷成管状结构，在真空炉中120 °C退火500 min以提高聚合物结晶度。如图1B和1C所示，级联式EC制冷管尺寸为Φ1.5 × 70 mm，壁厚为70 μm。级联EC制冷管的阳极附着在PI基底上，阴极在EC管的最内侧。图1D展示了这种结构紧凑、可嵌入、累积制冷的级联式EC管在微电子系统中的潜在应用场景。

图1. (A)级联式EC制冷管的制备示意图；(B)实物照片；(C)截面光学图像；(D)在微电子制冷中的潜在应用。

为实现逐级制冷的并提供低温流体介质，将流动的介质进行分段式冷却，其中级联式EC管施加的电场周期和介质的流速相匹配。如图2A所示，级联EC管能有效提高流体介质的温差，其红外热图像如图2B所示。在级联式EC管制冷过程中，其出口处流体介质的冷却温度比单节EC管高40%，温跨度高达4.2 K。红外图像下，级联式EC管中第三节的制冷最明显(图2C)，这是由于第一节和第二节EC管的制冷累积贡献所得(图2D)。这说明级联式EC制冷管能有效地增加流体介质的温差并实现制冷积累。

图2. (A)施加/去除电场时EC管温度随时间变化图；(B) EC制冷管中流体介质的红外图像；(C)级联式EC制冷管红外图像；(D) 施加/去除电场时级联式EC制冷管的温度随时间变化图。注:流体介质的流速均为10 mm /s。

流体介质(硅油)可以有效地保护级联EC管。此外，本研究通过施加锯齿波进一步提高级联EC管的击穿强度(图3A)。在缓慢上升电压的过程中，级联式EC管的热量逐步散失到周围环境中(图3B)。图3C显示了不同条件下复合聚合物薄膜的击穿强度。在硅油中浸泡并施加锯齿电压时，薄膜的击穿强度提高了100 MV/m。级联式EC制冷管的红外热图像如图3D所示。锯齿波电压增加了EC管对环境的散热，并保持与流体介质的冷却交换，其温度随时间变化如图3E所示。由于聚合物的绝缘性性和硅油的保护作用，级联EC管的漏电流损耗非常小。图3F为级联EC管以锯齿波电压循环运行，连续提供低温流体介质并获得冷却负载的数据图。该级联式EC管具有低能耗，冷却积累和持续提供低温流体介质的特性，在微电子系统中智能热管理方面提供了巨大的应用潜力。

图3. (A) 方形波和锯齿波电压信号对比图；(B) 施加/去除方形或锯齿波电压下，级联式EC管的温度随时间变化图；(C)不同条件下复合聚合物膜的击穿强度；(D)施加锯齿波电压下的EC制冷管红外图像；(E)施加锯齿波电压下的EC制冷管温度随时间变化图。(F) 在循环运行后连续提供低温的流体介质并获得冷却(负荷)。

该工作是马儒军教授团队近期关于主动式制冷材料与器件研究的最新进展之一。马儒军教授目前为南开大学材料科学与工程学院智能热管理实验室负责人，近年来在主动/被动制冷材料、柔性热电材料与器件、高性能柔性导热复合材料、能源转换材料与器件等多学科交叉领域取得了一系列重要的研究成果，并以通讯或第一作者发表在Science、Chemical Society Reviews、PNAS、Nature Communications、Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Nano Letters、ACS nano等国际知名期刊上。实验室拥有先进的材料制备平台以及电学、热学等测试系统，并围绕国家重点研发计划项目等多项课题，展开新能源与智能热管理技术方向的研究。团队现诚招材料、化学、物理、电子等相关专业背景的博士后，欢迎有志之士将个人简历（pdf）发送至马儒军教授邮箱[e-mail]，邮件标题请注明：“应聘博士后+本人姓名+博士毕业院校”，对于符合要求并通过初审者，将会通知安排面试。招聘启事在岗位招满前有效。

原文链接：

A highly efficient cascade electrocaloric cooling tube with enhanced temperature change by sawtooth voltage - ScienceDirect

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2949822823000011     

第一作者：

白培加，目前在南开大学材料科学与工程学院攻读博士学位，导师是马儒军教授。他的主要研究方向为主动式制冷材料和器件的设计与制备。

通讯作者：

马儒军，南开大学材料科学与工程学院教授、博导。2013年2月博士毕业于韩国成均馆大学纳米科技学院（导师：Seunghyun Baik教授），随后在该校能源科学学院与基础科学研究院从事博士后研究员的工作，并于2015年4月加入美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）Qibing Pei教授课题组继续从事博士后研究员的工作。2018年9月加入南开大学材料科学与工程学院。近年来以通讯或第一作者发表的国际著名期刊包括Science, PNAS, Nature Communications, Joule, Chemical Society Reviews, Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Nano Letters, ACS Nano等。