使用鋰離子電池的現(xiàn)代設(shè)備，如智能手機和電動汽車，似乎非常堅固。但是嘗試在極熱或極冷的環(huán)境中使用它們，您會發(fā)現(xiàn)它們很容易因溫度而出現(xiàn)故障和性能衰減。普渡大學(xué)的工程師開發(fā)了一種解決方案：一種由可壓縮石墨烯泡沫制成的“熱開關(guān)”，可根據(jù)設(shè)備內(nèi)部和外部的溫度進行動態(tài)調(diào)整，以保持一致的熱管理。
“隨著電子設(shè)備變得越來越小、越來越強大，熱量管理變得越來越重要，”研究納米級傳熱和可持續(xù)能源的機械工程系教授Xiulin Ruan說。“大多數(shù)設(shè)備使用被動熱管理，例如傳導(dǎo)和對流，來轉(zhuǎn)移多余的熱量。但是這個系統(tǒng)無法調(diào)節(jié)或調(diào)整，在寒冷的條件下根本沒有幫助。”
其他研究人員提出了各種形式的熱開關(guān)，它們打開“打開”以將熱量帶走或“關(guān)閉”以將熱量保持在內(nèi)部。但由于這些系統(tǒng)要么是100%開啟，要么是100%關(guān)閉，因此它們無法根據(jù)設(shè)備內(nèi)外的溫度變化進行可變調(diào)整。
解決方案來自博士后研究員Tingting Du與碩士生Zixin Xiong和Luis Delgado，由Ruan和機械工程系副教授Amy Marconnet 共同提供建議，他們研究鋰離子電池和其他設(shè)備的熱性能。他們開發(fā)了一種基于可壓縮石墨烯復(fù)合泡沫的連續(xù)可調(diào)熱開關(guān)。
他們的工作已發(fā)表在《自然通訊》上。
石墨烯泡沫是一種市售產(chǎn)品，由以特定模式沉積的納米級碳顆粒構(gòu)成，中間有小空隙。當泡沫未壓縮時，它充當絕緣體，氣穴將熱量保持在原位。但是當泡沫被物理壓縮時，空氣會逸出，更多的熱量通過泡沫傳導(dǎo)出去。根據(jù)泡沫的壓縮程度，可以精確調(diào)整傳熱量。
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普渡大學(xué)的研究人員在普渡大學(xué)的伯克納米技術(shù)中心測量了泡沫的熱導(dǎo)率。他們將一個1.2毫米厚的石墨烯泡沫樣品夾在加熱器和散熱器之間，并將該系統(tǒng)置于紅外顯微鏡下以測量溫度和熱流。當將泡沫完全壓縮到0.2毫米的厚度時，導(dǎo)熱系數(shù)增加了8倍。“它的功能就像電路中的電阻器，”馬康內(nèi)說。“它不是改變電流量，而是改變它允許通過的熱量。”
他們還在Purdue 的Flex實驗室的一個室中進行了一項實驗，該實驗可以創(chuàng)造特定的環(huán)境條件，并在0℃(32°F)到30℃(86°F) 的環(huán)境溫度下取得了類似的結(jié)果。他們將石墨烯泡沫放在熱源上以模擬電子設(shè)備，并使用熱電偶測量溫度。 “這很重要，因為熱敏開關(guān)會根據(jù)設(shè)備內(nèi)外的溫度進行調(diào)整，”Ruan說。“當環(huán)境非常熱時，我們的熱敏開關(guān)可以將熱量傳出以冷卻電池，而當環(huán)境太冷時，我們的熱敏開關(guān)可以關(guān)閉熱傳遞以保持電池溫暖。”
雖然該實驗只是一個概念驗證，但這種動態(tài)熱管理形式的潛在應(yīng)用不僅僅是手機。它有可能用于更大的電子產(chǎn)品、電動汽車電池、航天器，甚至生物醫(yī)學(xué)設(shè)備。 “我們的目標是使用熱開關(guān)來保持所有這些設(shè)備在不同環(huán)境中有效運行，并提高它們的整體能效，”Ruan說。
摘自《The Graphene Council》網(wǎng)站
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