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研究人员利用一种新的固态热技术的力量
2022年06月26日    新闻来源:中国化工网 okmart.com    |  投稿

弗吉尼亚大学工程与应用科学学院的研究人员发现了一种制造多功能导热体的方法,有望开发出更节能的电子设备、绿色建筑和太空探索。

他们已经证明,电子设备中使用的一种已知材料现在也可以用作热调节器,只要它的形式非常纯净。这种新型材料使工程师能够根据需要增加或减少热导率,将绝缘体变成导体,反之亦然。

该研究小组于今年春天早些时候在《自然通讯》上发表了研究结果。这篇论文的标题是“反铁电锆酸铅中固态双向热导开关的观察”

导热材料的双向控制或“调谐”在需要在极端温度下运行或承受极端温度波动的电子和设备中尤其有用。设备需要在如此恶劣的条件下运行的场景之一是空间。

“太空中的温度波动可能非常剧烈,”Kiumars Aryana说,他今年春天在UVA获得了机械和航空航天工程博士学位,也是《自然通讯》论文的第一作者。“当我们建造用于太空探索的飞行器和设备时,这种热传输技术可能是一个巨大的优势。”

“火星探测器就是一个很好的例子,”Aryana说。月球车着陆点的地面温度白天可达70华氏度,晚上可达零下146摄氏度。为了使电子设备在这些剧烈的温度波动中工作,路虎依靠绝缘盒和加热器来防止部件冻结,并依靠散热器来防止部件烧坏。

“这种新的热量管理模式基本上不那么复杂,意味着热量调节更容易管理鈥攁nd速度更快。当散热器或隔热材料需要很长时间才能开始加热或冷却时,固态机制几乎是瞬时的。能够跟上快速的温度变化也会使事情变得更安全。由于加热和冷却可以保持,因此加热或冷却导致故障的可能性鈥攐r更糟鈥攁再减少,”Aryana说。

与此同时,在地球上,有希望的用途包括大规模管理供暖和制冷,如建筑物,以及小规模管理,如电子电路板。更少的能源意味着更绿色的技术和更低的成本。

这一进步延续了UVA工程公司材料科学与工程、电气与计算机工程副教授Jon Ihlefeld与惠特尼·斯通工程教授、机械与航空航天工程教授Patrick E.Hopkins以及Aryana顾问之间的长期合作。

伊勒菲尔德·霍普金斯团队在过去十年中率先在晶体材料中开发出可调导热系数,首先是在桑迪亚国家实验室,现在是在UVA实验室。

可调谐性是一种称为铁电体的功能材料所独有的,铁电体是Ihlefeld多功能薄膜研究小组的一个专业。

Ihlefeld说:“铁电材料就像磁铁,除了北极和南极之外,还有正负电荷。”。当施加到铁电材料上时,电场或电压会将材料表面的极性“翻转”到相反的状态,直到施加相反的电压为止。

霍普金斯说:“通常,导热性被认为是一种静态材料特性。”。“如果你想把导热体变成绝缘体,你必须永久性地改变它的结构,或将它与新材料结合起来。”

Ihlefeld和Hopkins之前的研究证明了如何利用电场降低热导率,以及如何将材料集成到设备中以提高热导率,但他们无法使相同的材料同时做到这两个方面。

在这个项目中,团队使用了一种反铁电材料,其中热和电压都起作用。

霍普金斯说:“这种有趣的材料不仅是一种高质量的晶体,具有像非晶态玻璃一样的热导率趋势,而且是固态的,它还为我们提供了两个独特的旋钮来改变热导率。”。“我们可以用激光或施加电压快速加热晶体,以主动调节热导率和热传输。”

Aryana说:“我们试图用商用锆酸铅样品测试双向导热性,但没有成功。”。莱恩·马丁(LaneMartin)是加州大学伯克利分校(University of California Berkeley)材料科学与工程系主任兼系主任,他提供了一份极其纯净的锆酸铅样品。Aryana说:“使用Lane的样本,我们在一次爆发中实现了38%的热导率双向变化,这是一个巨大的飞跃。”。

反铁电材料结构本质上是双向的。在晶格的最小重复单元中,一半的极性指向上,另一半的极性指向下,因此正负电荷相互抵消。当加热时,晶体结构发生变化,反铁电性消失,从而增加热导率。施加电场则相反鈥攊t使材料转变为铁电体,热导率降低。移除电压后,网络极性恢复为零。

晶体中支持反铁电结构的原子的极性翻转和排列导致了可观察和可测量的热散射事件鈥攕热信号之类的东西鈥攚这意味着能量以可以预测和控制的方式在材料中扩散。

霍普金斯热工实验与模拟研究小组的成员在材料激光测量方面取得了许多进展。《自然通讯》的论文提出了一项基于光学测温的实验创新,在该实验中,学生们使用第三台激光器产生快速加热事件,通过从反铁电结构到顺电结构的过渡来调制反铁电薄膜,使其能够在外加电场下极化。

为了对技术产生影响,工程师需要一个更大的“开-关”开关来快速移动或存储更大比例的热量。研究团队的下一步工作包括更好地定义材料的局限性,以便设计出具有更高开关比的新材料,加速使用主动可调导热材料。

标签:化工原料化学试剂技术中心生物化学
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