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合肥“科学岛”发现新型热导率自主调控材料

2021年03月23日 09:25 来源:威尼斯人官网日报

  近日,中科院合肥研究院科研人员在六角硫化物材料中发现了温度驱动的巨大热导率跳变效应,并给出理论解释。专家介绍,该材料体系具有高温下热导率高,低温下热导率低的特性,同时易于合成、原料环境友好,因此在热流主动控制领域具有潜在的应用价值。

  研究人员发现六角相硫化物在低温反铁磁至高温顺磁相变处,热导率出现巨大的可逆跳变,变化率最大能超过200%,远高于镍钛合金等已知的典型固态热导率突变材料。以镍钛合金为例,其热导率出现可逆跳变时,变化率最大只有112%。

  目前,约90%能源的使用涉及热量的产生与操控。无论是电厂利用化石燃料发电或对其产生废热的回收利用,还是建筑物供暖,都离不开热量产生与传导,因此有效控制热量传导对于提高能源利用率、实现节能减排和可持续发展均具有重要意义。

  材料的热导率(k)大小是决定其热传导能力的关键因素之一。一般而言,k在一定的温度范围内对温度呈线性依赖关系,但变化幅度较小,仅依靠材料自身难以对热流传导进行有效控制。因此,实践中一般通过热膨胀或外场(电场、磁场)驱动的机械接触来实现导热通路的开与关,从而对热流进行控制。然而,这些传统方法难以满足多元化应用需求,尤其难以实现小型化和集成化。但如果材料热导率随温度变化而发生突变,则可根据导热能力的不同实现对热流的自主控制,六角硫化物材料正符合这一要求。

  科研人员发现,由于六角相硫化物相变前后晶格失配度大 (晶格体积变化量约为2%),在经历热循环时所产生的热应力会导致样品自发破碎。为解决这一问题,研究人员用少量金属银粘接六角相硫化物。通过与基体之间形成的纳米过渡层,金属银对热应力起到很好的缓冲和释放作用,显著改善了材料的脆性,同时也提高了材料的机械加工性能和热循环稳定性。

  六角相硫化物体系的热导率突变大、驱动温差小,工作温区在室温附近且可通过改变材料铁含量进行调节,该材料体系在热流主动控制领域具有较高的潜在应用价值。例如,可用于维持器件(如电池、芯片)的最佳工作温度,当环境寒冷时,低热导率可以延缓热量散失,起到保温作用;而在炎热环境下,高热导率有助于热量快速散发,防止器件过热。(记者 汪永安)


编辑:成展鹏
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