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  南開(kāi)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院馬儒軍課題組和合作者設(shè)計(jì)了一種基于改性的P(VDF-TrFE-CFE)雙層聚合物薄膜作為核心制冷元素的雙單元電卡制冷裝置，該裝置相對(duì)于單層靜電驅(qū)動(dòng)電卡制冷裝置具有顯著提升的溫度跨度和制冷能力。

  當(dāng)今，作為電子設(shè)備核心的芯片的集成度越來(lái)越高，以滿足電子設(shè)備功能多樣化的需求，同時(shí)，由于集成度過(guò)高帶來(lái)的器件的失效問(wèn)題尤其是熱失效問(wèn)題也越來(lái)越突出，目前電子器件的所有失效問(wèn)題中，熱失效率約占55%。因此，設(shè)計(jì)一種可小型化、高效環(huán)保的制冷器來(lái)解決高集成度電子芯片的散熱問(wèn)題刻不容緩。而目前最常用的基于蒸氣壓縮循環(huán)的制冷技術(shù)，一方面由于壓縮機(jī)的存在導(dǎo)致器件難以微型化，另一方面氟利昂等制冷劑的使用會(huì)導(dǎo)致臭氧層破壞等環(huán)境問(wèn)題�；阼F電材料相變產(chǎn)生的電卡效應(yīng)(ECE)進(jìn)行制冷作為一種新型的制冷技術(shù)，具有易于微型化、高效、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，因此有望應(yīng)用于電子芯片的制冷。

  考慮到電卡材料的升溫及冷卻都是自身產(chǎn)生，因此需要存在移動(dòng)介質(zhì)去進(jìn)行有效的熱傳遞。目前的電卡制冷器大多使用電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)電卡材料或者使用泵來(lái)泵送液體來(lái)實(shí)現(xiàn)持續(xù)的制冷，這些額外的部件會(huì)引起寄生功率的消耗變大及器件復(fù)雜程度的增加。2017年，裴啟兵教授團(tuán)隊(duì)采用靜電驅(qū)動(dòng)的方式使鐵電聚合物P(VDF-TrFE-CFE)薄膜在熱源和散熱器之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)制備的小型制冷器大大提高了器件的制冷效率并降低了電卡制冷器件的復(fù)雜程度。然而，其溫度跨度依然較小,限制了其應(yīng)用。因此，如何提高其溫度跨度，從而提升其制冷能力和應(yīng)用范圍是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

  近日，南開(kāi)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院馬儒軍課題組進(jìn)一步提高了靜電驅(qū)動(dòng)電卡制冷器的冷卻性能：在這個(gè)工作中，一種有機(jī)增塑劑鄰苯二甲酸二辛酯（DOP）作為填料通過(guò)簡(jiǎn)單的共混工藝使其分散在聚合物基體中，使得到的P(VDF-TrFE-CFE)/DOP復(fù)合材料薄膜的電卡強(qiáng)度得到有效提升。然后，以P(VDF-TrFE-CFE)/DOP復(fù)合薄膜作為制冷核心元素制備了雙單元靜電驅(qū)動(dòng)的電卡制冷裝置，進(jìn)一步提高了該裝置的溫度跨度和制冷能力，實(shí)現(xiàn)了4.8 K的大溫度跨度，是單單元裝置的1.71倍。制冷功率達(dá)3.6 W/g，最大COP為 8.3。并且使用此制冷裝置冷卻比使用空氣冷卻的CPU表面溫度低22.4 K。驗(yàn)證了可以通過(guò)改性電卡材料和設(shè)計(jì)多層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)制冷能力的進(jìn)一步提升。

  首先將DOP通過(guò)共混法均勻分散于聚合物溶液中，通過(guò)兩次刮涂的方式制備P(VDF-TrFE-CFE)/DOP雙層三電極鐵電聚合物復(fù)合薄膜，每一層厚度為35 um，兩層共70 um，有效制冷面積為2 cm×4 cm。通過(guò)DOP改性的復(fù)合薄膜的極化性能及電卡性能有顯著的提升。

圖2. 雙單元制冷器件的結(jié)構(gòu)及運(yùn)轉(zhuǎn)示意

  設(shè)計(jì)雙單元靜電驅(qū)動(dòng)的電卡制冷裝置，通過(guò)靜電電場(chǎng)的調(diào)制使得兩個(gè)雙層鐵電聚合物復(fù)合薄膜分別在中間傳熱層和熱源/散熱器之間呈鏡像運(yùn)動(dòng)，這樣能最大化利用有效制冷面積，減小整體器件尺寸；而使得材料產(chǎn)生電卡效應(yīng)的電場(chǎng)比靜電驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)延遲0.05 s，這樣做的目的是使薄膜與熱源/散熱器充分接觸換熱。這些設(shè)計(jì)都在一定程度上提高了器件的冷卻性能。

圖3. 雙單元制冷器件的制冷性能表征

  進(jìn)行無(wú)負(fù)載條件下的制冷能力測(cè)試，可以看到雙單元制冷器具有比單單元制冷器更高的冷卻性能，且在長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)工作的條件下，性能沒(méi)有明顯降低。

圖4. 對(duì)芯片的冷卻性能表征

  對(duì)電腦CPU進(jìn)行實(shí)際降溫測(cè)試，在空氣中自然冷卻的CPU表面溫度在80 s的時(shí)間即從29.7 ℃升高到82.6 ℃，在芯片過(guò)熱時(shí)僅開(kāi)啟雙單元制冷器的靜電驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)時(shí)CPU表面溫度升高到70.3 ℃，在芯片過(guò)熱時(shí)開(kāi)啟雙單元制冷器件的靜電驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)及電卡效應(yīng)的電場(chǎng)時(shí)CPU表面溫度僅升高到60.2 ℃。

  研究者相信，此項(xiàng)研究將會(huì)為電卡材料的改性方式及進(jìn)一步提高電卡制冷器件的制冷能力的方式提供了一種研究思路，同時(shí)，也為基于電卡效應(yīng)的固態(tài)制冷器在微電子領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了參考價(jià)值。相關(guān)工作在線發(fā)表于Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.202003771)上。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202003771

  下載：Electrostatic Actuating Double‐Unit Electrocaloric Cooling Device with High Efficiency