使用鋰離子電池的現代設備，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)現它們很容易因溫度而出現故障和性能衰減。普渡大學的工程師開發(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”，可根據設備內部和外部的溫度進行動態(tài)調整，以保持一致的熱管理。
“隨著電子設備變得越來越小、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。“大多數設備使用被動熱管理，例如傳導和對流，來轉移多余的熱量。但是這個系統(tǒng)無法調節(jié)或調整，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，它們打開“打開”以將熱量帶走或“關閉”以將熱量保持在內部。但由于這些系統(tǒng)要么是100%開啟，要么是100%關閉，因此它們無法根據設備內外的溫度變化進行可變調整。
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備的熱性能。他們開發(fā)了一種基于可壓縮石墨烯復合泡沫的連續(xù)可調熱開關。
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品，由以特定模式沉積的納米級碳顆粒構成，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出去。根據泡沫的壓縮程度，可以精確調整傳熱量。
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普渡大學的研究人員在普渡大學的伯克納米技術中心測量了泡沫的熱導率。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，導熱系數增加了8倍。“它的功能就像電路中的電阻器，”馬康內說。“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果。他們將石墨烯泡沫放在熱源上以模擬電子設備，并使用熱電偶測量溫度。 “這很重要，因為熱敏開關會根據設備內外的溫度進行調整，”Ruan說。“當環(huán)境非常熱時，我們的熱敏開關可以將熱量傳出以冷卻電池，而當環(huán)境太冷時，我們的熱敏開關可以關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用不僅僅是手機。它有可能用于更大的電子產品、電動汽車電池、航天器，甚至生物醫(yī)學設備。 “我們的目標是使用熱開關來保持所有這些設備在不同環(huán)境中有效運行，并提高它們的整體能效，”Ruan說。
摘自《The Graphene Council》網站
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