新型涂层帮助电子产品通过“出汗”保持凉爽

哺乳动物通过出汗调节体温,中国上海交通大学的研究人员正在探索我们的手机是否也能做到这一点。在2020年1月22日发表在《焦耳》杂志上的一项研究中,作者提出了一种电子涂层,它可以释放水蒸气来驱散运行中的设备的热量。一种新的热管理方法,可以防止电子产品过热,使它们比现有的策略更凉爽。

微电子技术的发展对高效的热管理技术提出了很高的要求,因为所有的元件都紧密地封装在一起,芯片会变得非常热。上海交通大学制冷工程专业的资深作者王汝朱说。例如,如果没有一个有效的冷却系统,如果我们长时间运行手机或加载一个大的应用程序,我们的手机可能会出现系统故障,烧伤我们的手。

电脑等较大的设备使用风扇来调节温度。然而,风扇体积大,噪音大,能耗大,因此不适合像手机这样的小型设备。制造商一直在使用相变材料(PCMs),比如蜡和脂肪酸,来为手机降温。这些材料可以吸收设备熔化时产生的热量。然而,固液转变过程中总能量交换量相对较低。

相比之下,水的液-气转变所能交换的能量是PCM固-液转变的10倍。灵感来自于mammals’出汗机制,王和他的团队研究了一组多孔材料,这些材料可以从空气中吸收水分,并在加热时释放水蒸气。其中,金属有机骨架(MOFs)是最有前途的,因为它们可以储存大量的水,因此在加热时带走更多的热量。

以前,研究人员曾尝试使用MOFs从沙漠空气中提取水分,王说。但是MOFs仍然非常昂贵,因此大规模应用并不实际。我们的研究表明电子冷却是MOFs很好的现实应用。实验中使用了不到0.3克的材料,产生了显著的冷却效果。

研究小组选择了一种被称为MIL-101(Cr)的MOFs作为实验材料,因为它具有良好的吸水能力和对温度变化的高度敏感性。他们在3张16平方厘米的铝板上涂上不同厚度的MIL-101(Cr)。分别为198、313、516微米;然后在热盘子上加热。

研究小组发现,MIL-101Cr涂层能够延迟薄片的温升,而且随着涂层厚度的增加,这种效应也会增强。未涂布的纸在5.2分钟后达到60摄氏度,而最薄的涂布纸则延长了一倍时间,直到11.7分钟才达到相同的温度。经过19.35分钟的加热,涂层最厚的薄片达到60摄氏度。

除了有效的冷却,一旦热源被移除,MIL-101(Cr)还能通过吸收水分迅速恢复,就像哺乳动物补水和准备再次出汗一样。王说。因此,这种方法非常适合那些不是一直在运行的设备,如手机、充电电池和电信基站,这些设备有时会过载。

为了研究MIL-101(Cr)在实际设备上的冷却效果,Wang和他的团队在一个微计算设备上测试了一个涂层散热器。与无涂层散热器相比,涂层散热器在设备重负荷运行15分钟时,芯片温度降低了7摄氏度。

展望未来,研究小组计划提高这种材料的导热性。一旦所有的水都没有了,干燥的涂层就会成为影响设备的阻力。热dissipation”第一作者陈希王说。他说,在材料中加入石墨烯等导热添加剂可能有助于解决这个问题。

在制造商给我们的手机安装这种冷却系统之前,成本是一个主要问题,如珠王说。通过对MOFs的实际应用,我们希望能增加市场对其的需求,并鼓励对MOFs的更多研究,以降低成本。

参考译文:基于吸湿-解吸过程的电子设备的热管理策略王至岑溪Lingji华,弘治燕,李Bangjun Yaodong涂Ruzhu王,2020年1月22日,焦耳。

这项工作得到了国家自然科学基金创新研究组基金的支持。