“热开关”动态控制电子设备的热量

使用锂离子电池的现代设备，如智能手机和电动汽车，似乎非常坚固。但是尝试在极热或极冷的环境中使用它们，您会发现它们很容易因温度而出现故障和性能衰减。普渡大学的工程师开发了一种解决方案：一种由可压缩石墨烯泡沫制成的“热开关”，可根据设备内部和外部的温度进行动态调整，以保持一致的热管理。

“随着电子设备变得越来越小、越来越强大，热量管理变得越来越重要，”研究纳米级传热和可持续能源的机械工程系教授Xiulin Ruan说。“大多数设备使用被动热管理，例如传导和对流，来转移多余的热量。但是这个系统无法调节或调整，在寒冷的条件下根本没有帮助。”

其他研究人员提出了各种形式的热开关，它们打开“打开”以将热量带走或“关闭”以将热量保持在内部。但由于这些系统要么是100%开启，要么是100%关闭，因此它们无法根据设备内外的温度变化进行可变调整。

解决方案来自博士后研究员Tingting Du与硕士生Zixin Xiong和Luis Delgado，由Ruan和机械工程系副教授Amy Marconnet 共同提供建议，他们研究锂离子电池和其他设备的热性能。他们开发了一种基于可压缩石墨烯复合泡沫的连续可调热开关。

他们的工作已发表在《自然通讯》上。

石墨烯泡沫是一种市售产品，由以特定模式沉积的纳米级碳颗粒构成，中间有小空隙。当泡沫未压缩时，它充当绝缘体，气穴将热量保持在原位。但是当泡沫被物理压缩时，空气会逸出，更多的热量通过泡沫传导出去。根据泡沫的压缩程度，可以精确调整传热量。

普渡大学的研究人员在普渡大学的伯克纳米技术中心测量了泡沫的热导率。他们将一个1.2毫米厚的石墨烯泡沫样品夹在加热器和散热器之间，并将该系统置于红外显微镜下以测量温度和热流。当将泡沫完全压缩到0.2毫米的厚度时，导热系数增加了8倍。“它的功能就像电路中的电阻器，”马康内说。“它不是改变电流量，而是改变它允许通过的热量。”

他们还在Purdue 的Flex实验室的一个室中进行了一项实验，该实验可以创造特定的环境条件，并在0℃(32°F)到30℃(86°F) 的环境温度下取得了类似的结果。他们将石墨烯泡沫放在热源上以模拟电子设备，并使用热电偶测量温度。“这很重要，因为热敏开关会根据设备内外的温度进行调整，”Ruan说。“当环境非常热时，我们的热敏开关可以将热量传出以冷却电池，而当环境太冷时，我们的热敏开关可以关闭热传递以保持电池温暖。”

虽然该实验只是一个概念验证，但这种动态热管理形式的潜在应用不仅仅是手机。它有可能用于更大的电子产品、电动汽车电池、航天器，甚至生物医学设备。 “我们的目标是使用热开关来保持所有这些设备在不同环境中有效运行，并提高它们的整体能效，”Ruan说。

摘自《The Graphene Council》网站