[發(fā)明專利]一種熱整流器件及在調(diào)控石墨烯熱整流效應中的應用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011076838.0
• 申請日: 2020-10-10
• 公開（公告）號: CN112218496B
• 公開（公告）日: 2021-08-17
• 發(fā)明（設計）人: 魏寧;趙軍華;李善臣;李志輝
• 申請（專利權）人: 江南大學
• 主分類號: H05K7/20
• 分類號: H05K7/20
• 代理公司: 無錫華源專利商標事務所(普通合伙) 32228
• 代理人: 聶啟新

本發(fā)明公開了一種熱整流器件及在調(diào)控石墨烯熱整流效應中的應用，屬于熱整流器件技術領域。所述熱整流器件是將單層石墨烯夾在兩塊聚合物軟材料(均質(zhì)梯形體)中間；將金屬環(huán)放置在聚合物厚度較小的一端，移動金屬環(huán)直至將聚合物及石墨烯整體塞入金屬環(huán)的空腔中得到的。通過不斷調(diào)節(jié)聚合物厚度的變化梯度以改變石墨烯所受的約束強弱，調(diào)控石墨烯熱整流效應。相比其他以破壞結(jié)構為代價來實現(xiàn)石墨烯熱整流的方法，本發(fā)明提供的外加梯度性約束的方法屬于無損技術，不僅保護了傳熱導體的結(jié)構完整性，同時在調(diào)控方法上更為靈活，能有效地降低生產(chǎn)成本。本發(fā)明還可以應用在定向?qū)嵴{(diào)控和熱管理器件上。

技術領域

本發(fā)明涉及一種熱整流器件及在調(diào)控石墨烯熱整流效應中的應用，屬于熱整流器件技術領域。

背景技術

鑒于二極管的單向?qū)щ娔芰υ陔娮悠骷系膹V泛應用，基于熱整流管的熱傳導方向控制的研究同樣極為重要。由于石墨烯超高的導熱性能，石墨烯已被廣泛地應用于CPU、手機及其他電子器件的散熱，而基于石墨烯的熱整流效應也同樣引起了廣泛的研究興趣。總的來說，以往的實驗和理論研究通過裁剪、施加缺陷、摻雜納米粒子、進行官能團化等方法構建非對稱的石墨烯結(jié)構從而實現(xiàn)了不同程度的熱整流效應。然而這些方法都是基于石墨烯結(jié)構的非對稱設計，都會在一定程度上破壞石墨烯的原始結(jié)構，影響石墨烯的強度以及熱穩(wěn)定性，從而限制了其實際應用。

由于離面方向的不穩(wěn)定性，二維材料通常需要鋪在基底上進行研究，基底一方面為石墨烯提供了支撐，另一方面也對石墨烯施加了約束(范德華、靜電作用)，影響了其熱導率。早先的研究引入了具有剛度梯度的基底，發(fā)現(xiàn)了由基底的梯度差異所誘導的細胞及石墨烯滑塊的定向運動，即質(zhì)量驅(qū)動。同樣的，引入基底覆蓋率、基底剛度等因素，熱驅(qū)動現(xiàn)象也被發(fā)現(xiàn)了。相較于其他基于非對稱結(jié)構誘導熱整流的方法，基底不會對結(jié)構本身造成不可逆的破壞。然而，非對稱約束誘導的熱整流仍處于理論研究狀態(tài)，目前缺乏一種實用的方法將其用于實際。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種熱整流器件及利用其調(diào)控石墨烯熱整流效應的方法，該方法靈活、簡單，并在保護石墨烯原結(jié)構的基礎上實現(xiàn)對石墨烯熱整流效應的調(diào)控。

本發(fā)明的技術方案如下：

本發(fā)明提供了一種熱整流器件，所述熱整流器件包括金屬環(huán)、被包覆于金屬環(huán)內(nèi)的夾層，所述夾層由單層石墨烯、夾持于單層石墨烯兩面的兩塊聚合物組成；所述聚合物為均質(zhì)的梯形體，兩塊聚合物與單層石墨烯的接觸面為均質(zhì)梯形體的同一面；所述夾層的兩端均與金屬環(huán)充分接觸。

進一步地，所述熱整流器件的制備方法包括以下步驟：

步驟1：將單層石墨烯夾在兩塊聚合物中間；

步驟2：將空腔金屬環(huán)放置在聚合物厚度相對較小的一端，移動金屬環(huán)直至將聚合物及石墨烯整體塞入金屬環(huán)的空腔，即得熱整流器件。

進一步地，所述聚合物及單層石墨烯沿熱傳導方向的長度均為L，L為0.1～100微米，寬度d為0.1L，所述聚合物的最小厚度H1為h，最大厚度H2為h～3h；h的大小取決于聚合物的變形能力，即柔性，h應保證聚合物厚度相對較小的一端與金屬環(huán)充分接觸，聚合物厚度相對較大的一端能完全塞進金屬環(huán)的空腔；所述單層石墨烯的厚度H3為0.3～0.4nm；所述金屬環(huán)的長、寬、高分別為L、d、H4，H4＝2H1+H3。

進一步地，所述聚合物的材料為軟質(zhì)、均質(zhì)的可壓縮性聚合物材料，可通過體積變形對單層石墨烯施加梯度性約束。

進一步地，所述金屬環(huán)為剛度較大的金屬材料，即不會在壓縮聚合物時產(chǎn)生可視形變，如常規(guī)的金屬，鐵、銅，合金鋼等。