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武汉大学刘抗、胡雪蛟等《AM》:通过自适应发汗

武汉大学刘抗研究员和胡雪蛟教授团队的最新研究成果于国际顶尖期刊Advanced Materials(影响因子25.809)在线发表。论文题目:Promoting Energy Efficiency via a Self-Adaptive Evaporative Cooling Hydrogel(《通过自适应发汗冷却水凝胶提高能量效率》)。2017级博士生蒲诗睿为该文章第一作者,武汉大学为论文第一署名单位,该研究得到国家自然科学基金的支持。

现代电子器件的微型化和集成化使得电子器件在工作时能量密度巨大,而大部分的能量最终转化为了热能,使器件温度升高。半导体器件PN结的结构对温度十分敏感,高温不仅影响器件工作性能和稳定性,也会带来安全性和使用寿命的问题。因此,半导体器件的散热成为现代电子器件的核心问题之一。现有散热技术主要有被动式和主动式两种。主动式散热(包括风冷和水冷)通常结构复杂,能耗高,因此在越来越普及的小型化电子设备(如智能手机,VR眼镜等)上难以应用。被动式散热技术普遍散热能力较低,又难以满足电子设备的散热需求。

针对这一问题,刘抗研究员、胡雪蛟教授团队设计开发一种被动式水凝胶薄膜散热技术。将该薄膜覆盖于电子器件热源,薄膜内部水分会快速的蒸发并迅速带走热量,降低热源温度。与此同时,当电子器件不工作时,该薄膜可自发从四周环境中吸收水蒸气,补充自身水分,实现循环利用。通过这一设计,将主动式散热的散热能力和被动式的简单结构集成于一片凝胶薄膜,为未来电子设计提供一种全新的散热思路。

团队通过使用富含锂和溴的聚丙烯酰胺水凝胶的自适应蒸发冷却来提高半导体器件的能源效率。水凝胶内的水可以迅速蒸发,以驱散在P‐N交界处的载体运输所产生的废热。在休眠状态下,水凝胶从周围的空气中收集水分子来自我再生。为了验证该方法的可行性,文章中将该水凝胶薄膜分别应用于商用硅太阳能电池板和模拟手机芯片,水凝胶可以降低商业多晶硅太阳能电池在一个太阳条件下的工作温度到17℃,并将其效率从14.5%提高到15.5%。它还能够在固定的工作温度下将模拟芯片的最大功率提高45%。水凝胶有望在当前半导体行业得到广泛应用,以提高其能源效率。

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201907307

来源:武汉大学动机学院

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