美國(guó)突破性研究：電場(chǎng)可使熱流增加近300%

控制熱流對(duì)于高性能系統(tǒng)至關(guān)重要。

美國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種利用電場(chǎng)改善材料中熱流的方法。

來(lái)自橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的研究團(tuán)隊(duì)與俄亥俄州立大學(xué)和安費(fèi)諾公司的科學(xué)家合作，發(fā)現(xiàn)這種新方法通過(guò)使用電場(chǎng)來(lái)控制固體材料中的熱流。

他們揭示，對(duì)一種特殊的陶瓷材料施加電場(chǎng)，可以改變聲子——即通過(guò)材料傳遞熱量的原子微小振動(dòng)——的行為。

熱量通過(guò)材料的效率幾乎提高了兩倍

當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的聲子比沿其他方向運(yùn)動(dòng)的聲子持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，傳播距離更遠(yuǎn)。其結(jié)果是，熱量可以沿電場(chǎng)方向通過(guò)材料的效率提高近三倍，這為先進(jìn)技術(shù)中的熱能管理提供了一種強(qiáng)大的方法。

ORNL博士后副研究員普斯帕·烏普雷蒂表示："能夠控制熱流的速度和方式，可能會(huì)催生更高效管理熱能的設(shè)備。"

控制熱流對(duì)于高性能系統(tǒng)至關(guān)重要，例如無(wú)移動(dòng)部件的現(xiàn)代電子冷卻器、將熱量轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換器、日常技術(shù)中使用的基于芯片的電路，以及捕獲和再利用工業(yè)廢熱的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。根據(jù)一份新聞稿，調(diào)節(jié)這些系統(tǒng)中的熱量可以為峰值效率和性能創(chuàng)造合適條件。

新方法實(shí)現(xiàn)了效率提升

科學(xué)家報(bào)告稱，早期對(duì)類似材料的研究通常只能將導(dǎo)熱率提高約5-10%，但這種新方法實(shí)現(xiàn)了近300%的提升。通過(guò)將中子散射數(shù)據(jù)與熱導(dǎo)率測(cè)量相結(jié)合，研究人員直接將熱流的改善與在晶體晶格中傳播時(shí)間更長(zhǎng)的聲子聯(lián)系起來(lái)。這一突破可能會(huì)催生新的固態(tài)技術(shù)，從而在電子產(chǎn)品、能量轉(zhuǎn)換設(shè)備、基于芯片的電路以及回收廢熱的工業(yè)系統(tǒng)中有效管理熱量。

實(shí)驗(yàn)在ORNL的散裂中子源進(jìn)行，科學(xué)家們使用先進(jìn)的中子散射技術(shù)觀察了材料內(nèi)部的原子結(jié)構(gòu)和原子運(yùn)動(dòng)。中子使研究人員能夠精確測(cè)量施加電場(chǎng)時(shí)原子振動(dòng)的變化。

這項(xiàng)研究的重點(diǎn)是一種被稱為"智能"陶瓷的材料，即基于弛豫體的鐵電體。在這些材料中，施加電場(chǎng)會(huì)使晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)的微小電荷排列整齊，從而減少攜帶熱量的振動(dòng)的散射。這種排列使能量能夠更順暢地流過(guò)材料，顯著提高導(dǎo)熱率。

該研究發(fā)表在《PRX Energy》期刊上，該研究通過(guò)使用中子散射和輸運(yùn)測(cè)量，揭示了在寬溫度范圍內(nèi)對(duì)基于弛豫體的鐵電體施加電場(chǎng)，聲子輸運(yùn)會(huì)發(fā)生的顯著變化。

研究人員在研究中指出："我們還觀察到沿極化方向的納米尺度反鐵電漲落受到抑制，并認(rèn)為這增加了聲子壽命。我們的結(jié)果突顯了一條有前景但尚未充分探索的途徑，即通過(guò)電場(chǎng)修飾的納米結(jié)構(gòu)改變無(wú)序功能材料中的聲子壽命，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)際的固態(tài)熱開(kāi)關(guān)。"

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