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南開大學(xué)馬儒軍教授團(tuán)隊《Adv. Mater.》:一種用于精準(zhǔn)控溫的點陣式主動制冷電卡器件
2023-01-27  來源:高分子科技

  近年來,微型集成電路和電子芯片已成為科技發(fā)展的重要組成部分。隨著它們集成度的不斷提高,其總功耗呈指數(shù)上升。在多核芯片中,單個核的異常發(fā)熱會直接影響其他核甚至整體的運(yùn)算能力,這意味著局部異常發(fā)熱會使芯片熱管理變得更加困難。在當(dāng)前電子產(chǎn)品的所有故障中,由異常發(fā)熱造成的損壞超過了55%。當(dāng)電子芯片溫度接近70-80 °C時,性能每升高2 °C就會降低~10%。因此,電子芯片的精準(zhǔn)控溫日益成為影響電子工業(yè)發(fā)展的重要因素。


1點陣式主動電卡制冷薄膜的制備及表征


  近日,南開大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院馬儒軍教授團(tuán)隊報道了一種高效的點陣式電卡(Electrocaloric, EC)制冷器件,可以有效地針對多核芯片的局部異常發(fā)熱問題進(jìn)行主動精準(zhǔn)控溫。通過三乙胺(Et3N)化學(xué)改性,在P(VDF-TrFE-CFE)骨架上引入了C=C雙鍵,降低了偶極翻轉(zhuǎn)的能壘。同時Ba0.6Sr0.4TiO3納米粒子的摻入進(jìn)一步提高了材料的EC性能和導(dǎo)熱系數(shù),并更適用于高頻率下的熱傳導(dǎo)和靜電驅(qū)動效果(1)。


  通過電路設(shè)計后,多核芯片的局部異常發(fā)熱可作為觸發(fā)信號輸入到EC制冷器件中,實現(xiàn)自動響應(yīng)和精準(zhǔn)的熱管理。以靜電驅(qū)動為基礎(chǔ),EC聚合物與熱源接觸時實施制冷并吸收來自熱源的熱量,在與散熱器接觸時將熱量釋放。如此快速循環(huán),對多核芯片實施高效熱管理。EC制冷器件中所有陣列點的溫度跨度(Tspan)穩(wěn)定4.6 K,熱流通量高達(dá)62 mW/cm2,是同類單層器件的兩倍以上。由于聚合物的絕緣特性,EC制冷器件的耗能低,具有較大的COP (2) 


2精準(zhǔn)控溫電卡制冷器件的工作原理及性能表征。 


3精準(zhǔn)控溫電卡制冷器件的熱管理應(yīng)用。


  本設(shè)計的點陣式EC冷卻器件尺寸僅為5×7×0.4 cm3,同時可實現(xiàn)針對多核芯片溫度差異化的熱管理需求。EC器件中的每個制冷像素點可以獨(dú)立或協(xié)調(diào)工作,響應(yīng)時間僅為1 ms。在相同的條件下,本設(shè)計的EC制冷器件能夠?qū)⒛MCPU(NO:CT-JRP, 5V/2W)表面溫度穩(wěn)定地抑制在59.1°C。在冷卻性能上與CPU風(fēng)冷散熱器相當(dāng),并且遠(yuǎn)優(yōu)于桌面風(fēng)扇(3)。這種結(jié)構(gòu)緊湊、可嵌入、高性能、點陣式EC制冷器件為主動、精確定位和溫度差異化熱管理提供了靈活的策略,在微電子過熱保護(hù)方面具有很大的應(yīng)用潛力。


  該工作以An active pixel-matrix electrocaloric device for targeted and differential thermal management為題發(fā)表在《Advance Materials》上。論文第一作者為博士生白培加,通訊作者為馬儒軍教授,該研究得到了國家自然科學(xué)基金委以及科學(xué)技術(shù)部的資助。


  該工作是馬儒軍教授團(tuán)隊近期關(guān)于主動式固態(tài)制冷材料與器件研究的最新進(jìn)展之一。馬儒軍教授目前為南開大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院智能熱管理實驗室負(fù)責(zé)人,近年來在主動/被動制冷材料、柔性熱電材料與器件、高性能柔性導(dǎo)熱復(fù)合材料、能源轉(zhuǎn)換材料與器件等多學(xué)科交叉領(lǐng)域取得了一系列重要的研究成果,并以通訊或第一作者發(fā)表在ScienceChemical Society Reviews、PNAS、Nature Communications、Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Nano Letters、ACS nano等國際知名期刊上。實驗室擁有先進(jìn)的材料制備平臺以及電學(xué)、熱學(xué)等測試系統(tǒng),并圍繞國家重點研發(fā)計劃項目等多項課題,展開新能源與智能熱管理技術(shù)方向的研究。團(tuán)隊現(xiàn)誠招材料、化學(xué)、物理、電子等相關(guān)專業(yè)背景的博士后,歡迎有志之士將個人簡歷(pdf)發(fā)送至馬儒軍教授郵箱malab@nankai.edu.cn,郵件標(biāo)題請注明:“應(yīng)聘博士后+本人姓名+博士畢業(yè)院校”,對于符合要求并通過初審者,將會通知安排面試。招聘啟事在崗位招滿前有效。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202209181

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