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  南開大學材料科學與工程學院馬儒軍課題組和合作者設計了一種基于改性的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，該裝置相對于單層靜電驅動電卡制冷裝置具有顯著提升的溫度跨度和制冷能力。

  當今，作為電子設備核心的芯片的集成度越來越高，以滿足電子設備功能多樣化的需求，同時，由于集成度過高帶來的器件的失效問題尤其是熱失效問題也越來越突出，目前電子器件的所有失效問題中，熱失效率約占55%。因此，設計一種可小型化、高效環保的制冷器來解決高集成度電子芯片的散熱問題刻不容緩。而目前最常用的基于蒸氣壓縮循環的制冷技術，一方面由于壓縮機的存在導致器件難以微型化，另一方面氟利昂等制冷劑的使用會導致臭氧層破壞等環境問題。基于鐵電材料相變產生的電卡效應(ECE)進行制冷作為一種新型的制冷技術，具有易于微型化、高效、環保等優勢，因此有望應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生，因此需要存在移動介質去進行有效的熱傳遞。目前的電卡制冷器大多使用電機來驅動電卡材料或者使用泵來泵送液體來實現持續的制冷，這些額外的部件會引起寄生功率的消耗變大及器件復雜程度的增加。2017年，裴啟兵教授團隊采用靜電驅動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運動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雜程度。然而，其溫度跨度依然較小,限制了其應用。因此，如何提高其溫度跨度，從而提升其制冷能力和應用范圍是一個亟待解決的問題。

  近日，南開大學材料科學與工程學院馬儒軍課題組進一步提高了靜電驅動電卡制冷器的冷卻性能：在這個工作中，一種有機增塑劑鄰苯二甲酸二辛酯（DOP）作為填料通過簡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復合材料薄膜的電卡強度得到有效提升。然后，以P(VDF-TrFE-CFE)/DOP復合薄膜作為制冷核心元素制備了雙單元靜電驅動的電卡制冷裝置，進一步提高了該裝置的溫度跨度和制冷能力，實現了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。驗證了可以通過改性電卡材料和設計多層結構實現制冷能力的進一步提升。

  首先將DOP通過共混法均勻分散于聚合物溶液中，通過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DOP改性的復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構及運轉示意

  設計雙單元靜電驅動的電卡制冷裝置，通過靜電電場的調制使得兩個雙層鐵電聚合物復合薄膜分別在中間傳熱層和熱源/散熱器之間呈鏡像運動，這樣能最大化利用有效制冷面積，減小整體器件尺寸；而使得材料產生電卡效應的電場比靜電驅動電場延遲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。這些設計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

  進行無負載條件下的制冷能力測試，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，且在長時間的循環工作的條件下，性能沒有明顯降低。

圖4. 對芯片的冷卻性能表征

  對電腦CPU進行實際降溫測試，在空氣中自然冷卻的CPU表面溫度在80 s的時間即從29.7 ℃升高到82.6 ℃，在芯片過熱時僅開啟雙單元制冷器的靜電驅動電場時CPU表面溫度升高到70.3 ℃，在芯片過熱時開啟雙單元制冷器件的靜電驅動電場及電卡效應的電場時CPU表面溫度僅升高到60.2 ℃。

  研究者相信，此項研究將會為電卡材料的改性方式及進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，也為基于電卡效應的固態制冷器在微電子領域中的應用提供了參考價值。相關工作在線發表于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