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出色的新涂层通过“发汗”帮助电子产品保持凉爽

时间：2022-03-24 11:25:07 来源：

这些照片是带有和不带有MIL-101（Cr）涂层的散热器的红外图像比较。

哺乳动物会出汗来调节体温，中国上海交通大学的研究人员正在研究我们的手机是否可以起到同样的作用。在2020年1月22日发表在《焦耳》杂志上的一项研究中，作者提出了一种用于电子产品的涂料，该涂料释放水蒸气以散发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并使其保持较冷现有策略。

“微电子学的发展对有效的热管理技术提出了很高的要求，因为所有组件都被紧密包装，并且芯片可能真正发热。”上海交通大学制冷工程学的资深作者王如竹说。“例如，如果没有有效的冷却系统，如果我们长时间运行手机或加载大型应用程序，我们的手机可能会出现系统故障并烫伤手。”

较大的设备（例如计算机）使用风扇来调节温度。但是，风扇体积大，噪声大且耗能，因此不适合用于移动电话等较小的设备。制造商一直在使用相变材料（PCM）（例如蜡和脂肪酸）来冷却手机。这些材料熔化时会吸收设备产生的热量。但是，在固液过渡期间交换的能量总量相对较低。

该视频描述了少量的M​​IL-101（Cr）（一种有助于电子芯片排汗的MOF涂层）如何帮助使其保持凉爽。

相反，与PCM固液转变相比，水的液-蒸气转变能交换的能量是其10倍。受到哺乳动物出汗机制的启发，Wang和他的团队研究了一组多孔材料，这些材料可以吸收空气中的水分并在加热时释放水蒸气。其中，金属有机骨架（MOF）最有前途，因为它们可以储存大量的水，因此加热时可以带走更多的热量。

此图显示了铝板上的MIL-101（Cr）涂层。

Wang说：“以前，研究人员曾尝试使用MOF从沙漠的空气中提取水。”“但是，MOF仍然非常昂贵，因此大规模应用实际上并不实用。我们的研究表明，电子冷却是MOF的良好现实应用。我们在实验中使用的材料少于0.3克，其产生的冷却效果非常显着。”

研究小组选择了一种名为MIL-101（Cr）的MOF，因为它具有良好的吸水能力并且对温度变化敏感。他们在三个16平方厘米的铝板上涂了厚度分别为198、313和516微米的MIL-101（Cr），然后在热板上加热。

研究小组发现，MIL-101Cr涂层能够延迟板材的温度上升，并且随着涂层厚度的增加其效果会增强。在5.2分钟后，未镀膜的°板材达到60℃时，最薄的镀膜时间翻了一番，直到11.7分钟才达到相同的温度。加热19.35分钟后，具有最厚°涂层的片材达到60℃。

Wang说：“除了有效冷却外，一旦移除热源，MIL-101（Cr）还可以通过吸收水分来快速恢复，就像哺乳动物如何补水并准备再次出汗一样。”“因此，这种方法确实适用于并非一直运行的设备，例如电话，电池充电和电信基站，这些设备有时可能会过载。”

为了研究MIL-101（Cr）对实际设备的冷却效果，Wang和他的团队在微计算设备上测试了带涂层的散热器。与未镀膜的散热器相比，当该器件在繁重的工作负载下运行15分钟°时，镀膜的散热器可使芯片温度降低多达7C。

展望未来，该团队计划改善材料的导热性。第一作者王晨曦说：“一旦水全部流失，干燥的涂层将成为影响设备散热的阻力。”他说，在材料中掺入导热添加剂（例如石墨烯）可能有助于解决该问题。

王如竹说，在制造商将这种冷却系统安装到我们的手机上之前，成本是一个主要问题。“通过找到MOF的实际应用，我们希望增加对MOF的市场需求，并鼓励对MOF进行更多的研究以降低成本。”

参考：王晨曦，华凌吉，闫宏志，李邦俊，涂耀东和王如竹，“基于水分吸附-解吸过程的电子设备热管理策略”，2020年1月22日，焦耳。DOI：
10.1016 / j.joule.2019.12.005

这项工作得到了中国国家自然科学基金创新研究基金会的支持。


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