研究背景

串聯(lián)壓電轉(zhuǎn)換器（CPETs）作為能量轉(zhuǎn)換的主要元器件，多應(yīng)用于超聲解剖刀、聲懸浮以及聲吶等方面。CPET通常包含兩個(gè)核心單元：鋯鈦酸鉛（PZT）壓電陶瓷——用于壓電能量轉(zhuǎn)換（機(jī)械能與電能之間的相互轉(zhuǎn)換）；熱管理單元（主要為金屬）——用于內(nèi)部散熱和調(diào)節(jié)操作性能或能量轉(zhuǎn)換效率。目前設(shè)備結(jié)構(gòu)存在明顯的瓶頸，如電聲能量轉(zhuǎn)換效率不高（由于PZT和金屬間的特性阻抗不匹配）和金屬的散熱效率不高（如硬鋁）等。而且，壓電效應(yīng)僅存在于居里溫度（Tc）以下，當(dāng)自熱使得溫度超過(guò)Tc時(shí)，壓電效應(yīng)就會(huì)消失。當(dāng)溫度超過(guò)Tc的一半（PZT的Tc為300℃），PZT的壽命就會(huì)大大降低。因此，為大幅提高設(shè)備性能，亟需引入全新的熱管理材料、設(shè)計(jì)新設(shè)備。

在過(guò)去十年里，因具有獨(dú)特的電學(xué)、光學(xué)和熱性能，石墨烯在納米技術(shù)領(lǐng)域引起空前反響。由于具有多孔層狀結(jié)構(gòu)（便于電子/離子的快速傳遞）、優(yōu)良的化學(xué)和物理穩(wěn)定性和卓越的循環(huán)性能，3D石墨烯網(wǎng)絡(luò)、石墨烯衍生物（如石墨烯氣凝膠）和石墨烯納米復(fù)合物被認(rèn)為是能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)化體系（超級(jí)電容器、燃料電池、氫氣和熱能儲(chǔ)存、燃料電池、太陽(yáng)能電池等）最有潛力的材料。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，超高導(dǎo)熱系數(shù)使得石墨烯具備完美熱管理材料的特質(zhì)，尤其是在需要大功率輸出的微型現(xiàn)代化設(shè)備中。其中，2D石墨烯薄膜具有遠(yuǎn)高于其它材料的超高導(dǎo)熱系數(shù)；垂直定向石墨烯（VG）由于具有獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)了比2D石墨烯薄膜還要高的縱向?qū)嵯禂?shù)。因此，基于全新的設(shè)計(jì)理念，將兩種超高熱導(dǎo)率的材料結(jié)合在同質(zhì)結(jié)熱界面材料中來(lái)設(shè)計(jì)高功率設(shè)備是最有潛力的方向。

在功能性絕緣模板（Al?O?、SiO?、TiO?、SrTiO?）上直接氣相沉積（CVD）生長(zhǎng)石墨烯的研究已經(jīng)取得很大進(jìn)展。除Al?O?外，AlN熱敏陶瓷具有多晶結(jié)構(gòu)、多孔形貌和幾乎可以忽略的熱存儲(chǔ)能力，通常作為高功率設(shè)備的散熱材料。而且，AlN熱敏陶瓷的散熱效率甚至比金屬材料（銅和鋁）的還要高。

一般來(lái)說(shuō)，理想的熱調(diào)節(jié)器應(yīng)該同時(shí)具有高導(dǎo)熱率（利于迅速而均勻的傳遞熱）和優(yōu)良的散熱特性（利于及時(shí)散熱）。在功能AlN熱敏陶瓷上直接生長(zhǎng)的石墨烯雜化材料完全符合這個(gè)要求，但是，通過(guò)直接氣相沉積合成石墨烯/AlN陶瓷的研究則幾乎沒(méi)有，這是因?yàn)椋簜鹘y(tǒng)CVD過(guò)程具有獨(dú)特的氣體流傳遞形態(tài)和氣體擴(kuò)散模型，已活化的炭很難進(jìn)入擁有不同尺寸微孔的多孔AlN模板中。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)全新的合成方法。

為了打破散熱瓶頸、克服CPET內(nèi)部嚴(yán)重自熱的問(wèn)題，劉忠范院士團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了新型熱調(diào)節(jié)器并將其嵌入CPET中，新一代CPET的自發(fā)散熱效率和電聲能量轉(zhuǎn)換效率均大幅提高。相關(guān)工作已發(fā)表在Adv. Mater，題目為“Designing New-Generation Piezoelectric Transducers by Embedding Superior Graphene-Based Thermal Regulators”。

工作介紹

為了解決高功率串聯(lián)壓電轉(zhuǎn)換器中的自熱問(wèn)題，劉忠范院士/張艷鋒教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了全新熱管理復(fù)合物，并提出了用于構(gòu)建新一代高功率CPET的新設(shè)計(jì)理念。該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地選擇多孔氮化鋁陶瓷作為模板，并通過(guò)兩步化學(xué)氣相沉積法直接在陶瓷模板上生長(zhǎng)多維（3D或2D）石墨烯（作為熱逃逸通道）的方法來(lái)構(gòu)建先進(jìn)的熱調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器的三個(gè)功能單元（熱分布單元、熱傳遞單元、熱釋放單元）集合了2D石墨烯、3D石墨烯及氮化鋁陶瓷模板的獨(dú)特?zé)嵝阅?，分別承擔(dān)熱量均布、傳遞和釋放的相應(yīng)功能，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。制成的石墨烯基熱調(diào)節(jié)器自熱引起的溫升可大幅下降60%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了實(shí)際需求目標(biāo)。通過(guò)嵌入石墨烯基熱調(diào)節(jié)器取代傳統(tǒng)的金屬基調(diào)節(jié)器構(gòu)建新一代CPET，其自發(fā)散熱效率和電聲能量轉(zhuǎn)換效率均大幅提高。該研究工作首次實(shí)現(xiàn)了新型多維石墨烯/氮化鋁陶瓷雜化物的合成，并推進(jìn)了其在新一代能量轉(zhuǎn)化和熱管理相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其是將高功率CPET擴(kuò)展到更寬應(yīng)用領(lǐng)域。

圖文詳情

圖1.先進(jìn)石墨烯基熱調(diào)節(jié)器用于構(gòu)建新一代CPET。a,b）傳統(tǒng)CPET的結(jié)構(gòu)和散熱特性。熱在應(yīng)力集中區(qū)積累（如圖b中右側(cè)所示），無(wú)法及時(shí)釋放出去。金屬基熱調(diào)節(jié)器散熱效率不足是傳統(tǒng)CPET的最大瓶頸。c）新一代多維石墨烯/AlN陶瓷雜化基CPET的結(jié)構(gòu)示意圖。2D石墨烯（作為熱分布器）、3D石墨烯（作為熱傳遞器）、AlN陶瓷（作為散熱器）各自承擔(dān)了分布熱、傳遞熱和釋放熱等不同的功能。d）3D/2D石墨烯/AlN陶瓷雜化基新結(jié)構(gòu)熱調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)示意圖。在AlN陶瓷上構(gòu)建多方向熱逃逸通道可以獲得自發(fā)高效的散熱。

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圖2. 3D/2D石墨烯/AlN陶瓷雜化物的合成方法和表征。a）全新雜化物的兩步CVD合成方法。約束流APCVD路徑2D石墨烯在多孔AlN陶瓷盤(pán)的均勻生長(zhǎng)，隨后是PECVD路徑，覆蓋在3D VG-納米墻壁薄膜之上，b）裸AlN陶瓷（左），2D石墨烯/氮化鋁陶瓷（中），3D/2D石墨烯/氮化鋁陶瓷（右）的圖片。生長(zhǎng)條件: 20sccm CH4，200sccm Ar，100sccm H?，1100℃， 4h限制流APCVD；10sccm CH4，10sccm H?，300W，700℃，4h PECVD。c)石墨烯樣品的拉曼譜圖。傳統(tǒng)APCVD（樣品Ⅰ）、限制流APCVD（樣品Ⅱ）、傳統(tǒng)PECVD（樣品Ⅲ）、兩步CVD方法（樣品Ⅳ）。d,e) 3D/2D石墨烯/AlN陶瓷雜化物樣品的斷面SEM圖（4h PECVD 加4h限制流APCVD）。即使多孔區(qū)域完全被(e)中連續(xù)VG薄膜覆蓋，可在(d)中氮化鋁的表面直接觀察到VG層（粗糙度約為17.2微米，用內(nèi)嵌紅色線標(biāo)記）。f-h) 3D/2D石墨烯/AlN陶瓷雜化物的連續(xù)放大形貌（1h PECVD加4h限制流APCVD）。I-j)樣品表面形貌圖（1h傳統(tǒng)PECVD）顯示微孔幾乎沒(méi)有VG納米墻。k)原生石墨烯樣品的薄層電阻mapping圖

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圖3. 3D/2D石墨烯/AlN陶瓷雜化物基熱調(diào)節(jié)器的熱性能 a) 新型熱調(diào)節(jié)器和獨(dú)特的三明治結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高效、多級(jí)散熱。b)加熱試驗(yàn)示意圖。具有不同基本結(jié)構(gòu)單元（從左到右依次為氧化鋁陶瓷、氮化鋁陶瓷、VG/氧化鋁陶瓷、VG/氮化鋁陶瓷、3D/2D石墨烯/氧化鋁陶瓷、3D/2D石墨烯/氮化鋁陶瓷）調(diào)節(jié)器的散熱效率可通過(guò)表面溫度來(lái)估計(jì)。c,d)熱調(diào)節(jié)器的加熱時(shí)間-溫度關(guān)系（c）和散熱速率（d）。3D/2D石墨烯/氮化鋁陶瓷基調(diào)節(jié)器表現(xiàn)出超高散熱效率（8.61℃min-1）e)同一加熱時(shí)間下熱調(diào)節(jié)器表面溫度分布的瞬時(shí)紅外圖。

圖4.新一代CPET的電聲能量轉(zhuǎn)換效率評(píng)估 a)不同規(guī)格的CPET圖。根據(jù)類(lèi)型（金屬、3D/2D石墨烯/氧化鋁陶瓷、3D/2D石墨烯/氮化鋁陶瓷）和長(zhǎng)度（10cm、20cm、30cm），CPET從左到右的編號(hào)依次為#1、#2、#3、#4、#5、#6、#7、#8。b)響應(yīng)頻率圖，使用特性阻抗分析儀來(lái)精確計(jì)算CPET的Fr (共振頻率)和Far(反共振頻率)。c,d) 不同規(guī)格CPET的有效電-機(jī)械耦合系數(shù)（c, Keff）和振幅（d, APET）。通過(guò)嵌入D/2D石墨烯/氮化鋁陶瓷基熱調(diào)節(jié)器，CPET的電聲能量轉(zhuǎn)換效率（ηea）大幅提高。

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圖5. 新一代CPET的操作狀態(tài)和瞬時(shí)能量效率的評(píng)估。a,b)嵌入不同類(lèi)型（金屬、3D/2D石墨烯/氧化鋁陶瓷、3D/2D石墨烯/氮化鋁陶瓷）和長(zhǎng)度（10cm、20cm、30cm）的熱調(diào)節(jié)器，所得CPET在振動(dòng)模型（a）和聲場(chǎng)（b）3D模擬結(jié)果。即使嵌入多維石墨烯/氮化鋁陶瓷雜化物基熱調(diào)節(jié)器，超級(jí)穩(wěn)定操作狀態(tài)（振動(dòng)穩(wěn)定性和均勻性）仍能可以維持。3D模擬所使用的驅(qū)動(dòng)電壓（輸入電壓）為1kV。c)不同規(guī)格CPET的瞬時(shí)散熱效率評(píng)估。嵌入3D/2D石墨烯/氮化鋁陶瓷熱調(diào)節(jié)器的新一代CPET（#3、#6、#9），由自熱造成的溫升可大幅降低60%（從41.5℃到16.2℃）。

原文鏈接

Shan, J., Wang, S., Zhou, F., Hu, J., Liu, Q., Lin, S., Zhang, Y., Liu, Z., Designing New-Generation Piezoelectric Transducers by Embedding Superior Graphene-Based Thermal Regulators. Adv. Mater. 2021, 2103141.

https://doi.org/10.1002/adma.202103141