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新型“出汗MOFs涂层”或能让电子设备不再烫手

Cell Press

近日,上海交通大学研究团队提出了一种新散热方法,能够利用水转化成水蒸气的热解吸过程吸收电子产品在运行时产生的热量。该设计也许能成为电子设备过热问题的一个解决方案。该研究于1月22日发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Joule (《焦耳》)上。

“随着微电子技术的发展,电子设备的热流密度越来越高。所以一个有效的热管理方案变得至关重要,”论文通讯作者,上海交通大学教授王如竹说。 “比如我们的手机在高负荷的情况下工作一段时间,表面的温度会上升。不仅影响用户体验,也会对器件带来风险”。

电脑一类大一些的电子设备多使用风冷,比如在主板旁边安装风扇。但是风扇体积较大,不仅会产生一定的噪音,还会消耗额外的能量。所以风扇在小型便携电子设备,比如手机上并不适用。一些手机的制造商已经开始使用相变材料 (PCMs),例如石蜡和硬脂酸来进行温度管理。这类材料能在受热后融化,并且吸收一定的热量,从而防止设备过热。然而,单位质量的PCMs固液转变过程中能吸收的热量相对较低,多在100到300焦耳每克。

相比之下,水转变为水蒸汽吸收的热量是PCMs固液转变的近10倍。受到哺乳动物利用出汗来调节体温这一生理现象的启发,王如竹及其团队提出了一种利用多孔材料解吸过程强化设备散热的新方法。此类材料能够吸附并储存空气中的水分,并在受热时释放水蒸气,带走热量。这个受热解吸温度可以设计在40-60oC,解吸热与水的蒸发潜热相当。近年来金属有机骨架化合物(MOFs)发展迅速,成为最有潜力的水蒸气吸附材料之一,为应用该散热方法提供了一个合适的选择。

“科学家曾经试图用MOFs在沙漠里空气取水,但是这个材料价格昂贵,所以现实中并不适合这样大规模的运用,”王如竹教授说。“我们希望能在目前成本很高的情况下,只用很小的量马上就能发挥很大的作用。我们仅用了0.3克的MOFs 就可以获得显著成效。MOFs材料用于电子器件如芯片冷却就非常合适,投入不大,作用非常大。”

MIL-101(Cr)是MOFs材料的一种。由于MIL-101(Cr)在常见环境条件下具有很强的吸水能力,并且能够随着温度的上升迅速解吸出大量水分,该研究团队选择了它进行散热实验。研究团队给16平方厘米的铝片涂上三种不同厚度(198, 313 和 516 微米)的MIL-101(Cr),并将他们放在电热片上加热。

研究发现MIL-101(Cr)涂层可以有效地延缓铝片温度的上升,而涂层越厚,抑制升温的效果也越好。没有涂层的铝片在1.5W加热功率下5.2分钟后就达到了60摄氏度,而有薄涂层的铝片在11.7分钟后才达到该温度。涂层最厚的铝片在19.35分钟后才达到60度。

“除了有效控温,在停止加热之后,MIL-101(Cr)还能很快地通过吸附环境中的水蒸气恢复其控温能力,相当于动物补水为出汗做准备”,王如竹教授说。“所以说这个散热方法特别适合一些时常具有尖峰负荷的设备,比如我们的手机,通信基站,及快充电池等。出汗涂层冷却方法可以有效抑制尖峰负荷时的温度上升”。

为了测试MIL-101(Cr)在实际电子设备上的效果,研究团队给一块安卓系统开发板的翅片散热器涂覆了该材料。在高负荷运行15分钟后,涂覆散热器与没有涂层的常规散热器相比,芯片表面温度低7℃。

接下来,该研究团队希望能进一步优化吸附剂涂层对设备稳态散热能力的影响。“热导率较低是多孔材料的共性, ”文章第一作者王晨曦说。“ 多加了一层材料必然会或多或少地带来附加热阻。”他表示在MIL-101(Cr)中添加石墨烯等高导热材料有望解决这一问题。

MOFs材料高昂的价格是阻挡这个高性能材料进入我们生活的一个很重要原因,王如竹教授说。 “我们希望能给MOFs找到适合的应用点,这样就可以能够推动市场,同时加速材料学对于这个材料的研究, 这样新材料就能很快走向运用了。

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