基于外场驱动铁电材料晶格相变的热开关及其调控方法

本发明涉及一种基于外场驱动铁电材料晶格相变的热开关及其调控方法，属于热管理领域。

背景技术：

1、智能热控系统是空间技术重点研究方向，该系统的核心是热控技术，能够实现温度的调控、保障设备的稳定运行。具体来说，由于工作环境恶劣，航天器、卫星或者空间站在面对太阳和背对太阳时有两百度以上的温度变化，需要热控系统自主高效地调节温度使得设备能稳定运行。此外，热控技术在电池热管理、建筑能源管理、微电子器件热管理以及能量优化系统等领域也具有巨大的应用价值。例如，对于电动汽车，由于锂电池的寿命随温度的升高而下降(温度过高甚至有热失控风险)、续航能力随温度的下降而下降，故需要热控系统自主高效地调节锂电池的温度使其稳定在一定范围内(通常在0-50℃，最优为15-35℃)，实现电池安全和续航能力的保障。因此热控技术的开发具有显著的研究意义和应用价值，能够为设备的稳定运行和工作寿命提供保障，降低使用成本和提高安全性。

2、依据傅里叶导热定律，导热系数的可逆调控可动态调节热路中热流的大小，是一种高效的热控技术。该技术又称热开关，功能与电开关类似，其作用是控制热路的通(开)和断(关)。当热路处于状态开(导热系数大)时，热路中有较大的热流可以通过；当热路处于状态关(导热系数小)时，热路中通过的热流较小。开和关时的热流或导热系数之比为开关比，开关比越大意味着热开关对热路中热输运的调控能力越强。与其他热控技术相比，导热系数可逆调控实现的热开关所需结构简单、易操作，且可大大简化或集成到已有的热控系统。

3、目前实现导热系数可逆调控的方法主要有三种：温度引起的结构相变、循环插入和移除离子、界面接触和分离。然而这三种调控方法都有比较大的缺点。第一种调控方法只在相变温度处有较大的导热系数变化，在其他温度处变化则很小。第二种调控方法存在两个缺陷：一是响应时间过长(分钟到小时级别)；二是循环多次后材料易被腐蚀，导致调控性能大大降低。第三种调控方法通常需要复杂的机械结构实现作用力的施加，操作困难不易实现。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种基于外场驱动铁电材料晶格相变的热开关及其调控方法，针对现有热开关技术适用温度范围窄、响应速度慢和开关次数少等问题，本发明利用外加电场驱动铁电材料结构相变实现导热系数可逆调控，该方法操作简单、响应速度快、开关比大、开关次数多和适用温度范围广，并且该方法没有运动部件、不耗能，减少了成本。本发明实现的热开关能够在锂电池、建筑能源、微电子器件以及能量优化系统等领域实现高效的热管理。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于外场驱动铁电材料晶格相变的热开关，包括热端基板、第一电极、铁电薄膜、第二电极和冷端基板；

3、所述热端基板一侧贴于热管理对象表面；

4、所述第一电极一侧贴于所述热端基板另一侧；

5、所述铁电薄膜一侧贴于所述第一电极另一侧；

6、所述第二电极一侧贴于所述铁电薄膜另一侧；

7、所述冷端基板贴于所述第二电极的另一侧。

8、进一步的，所述热管理对象、热端基板、第一电极、铁电薄膜、第二电极和冷端基板之间紧密相贴。所述热管理对象产生的热量依次通过所述热端基板、第一电极、铁电薄膜、第二电极和冷端基板传递至所述冷端基板外表面，最后与热沉或者外界空气换热。铁电薄膜的导热系数与外加电场的大小有关，可实现热路中热流大小的动态调控，降低或升高所述热管理对象的温度，满足不同工况下热管理的需要。

9、进一步的，所述铁电薄膜的相变包括反铁电-铁电相变、有序-无序相变和位移型相变。所述铁电薄膜的晶格结构随外加电场而改变引起其导热系数等性质的改变，且晶格结构在外加电场撤销后会恢复到原先的结构，实现导热系数的可逆调控。

10、所述铁电薄膜的开关比与薄膜厚度、薄膜生长方向、温度和电场大小有关，形成开关比可调的热开关。

11、所述铁电薄膜的厚度在10-1000纳米之间；电场大小在1-5000kv/cm之间。

12、通过外加电场调控铁电薄膜的晶格结构相变，操作方便、开关比大、响应速度快、开关次数多和结构简单。

13、根据本发明的另一方面，提供了一种基于外场驱动铁电材料晶格相变的热开关调控方法，通过控制电场大小以及铁电薄膜生长方向和厚度等调控热开关的性能。

14、包括如下步骤：热管理对象产生的热量依次通过热端基板、第一电极、铁电薄膜、第二电极和冷端基板传递至所述冷端基板外表面，最后与热沉或者外界空气换热；铁电薄膜的导热系数与外加电场的大小有关，可实现热路中热流大小的实时动态调控，降低或升高所述热管理对象的温度，满足不同工况下热管理的需要。

15、根据本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明的基于外场驱动铁电材料晶格相变的热开关调控方法中的步骤。

16、根据本发明的又一方面，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现本发明的基于外场驱动铁电材料晶格相变的热开关调控方法中的步骤。

17、相比于现有技术，本发明至少具有如下有益效果：

18、1.操作方便、结构简单、加工容易，仅需要热端基板、电极a、铁电薄膜、电极b和冷端基板紧密贴合即可；也可去除热端基板和冷端基板，电极直接与热管理对象接触。

19、2.响应速度快，外加电场作用下铁电相变在纳秒量级，可快速改变导热系数，实现热管理对象的快速控温。

20、3.开关次数多，本发明采用的热功能材料为铁电材料，其疲劳特性非常优秀，可循环百万次以上，大大提升热开关的工作寿命。

21、4.运营和维护成本低，外加电场改变铁电材料的相结构实现导热系数的主动调控，不需要运动部件，没有额外能耗。

22、5.热管理性能好，外加电场作用下铁电相变引起的导热系数相差达到3倍及以上，而且相差倍数随电场大小变化，可动态调节热路中的热流大小，实现热管理对象温度的调控和恒定。

技术特征：

1.一种基于外场驱动铁电材料晶格相变的热开关，其特征在于，包括热端基板、第一电极、铁电薄膜、第二电极和冷端基板；

2.如权利要求1所述的基于外场驱动铁电材料晶格相变的热开关，其特征在于，

3.如权利要求1所述的基于外场驱动铁电材料晶格相变的热开关，其特征在于，所述铁电薄膜的相变包括反铁电-铁电相变、有序-无序相变和位移型相变。

4.如权利要求1所述的基于外场驱动铁电材料晶格相变的热开关，其特征在于，所述铁电薄膜的厚度在10-1000纳米之间；电场大小在1-5000kv/cm之间。

5.一种基于外场驱动铁电材料晶格相变的热开关调控方法，其特征在于，通过施加电场改变铁电材料的晶格结构，从而实现导热系数的可逆调控。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：热管理对象产生的热量依次通过热端基板、第一电极、铁电薄膜、第二电极和冷端基板传递至所述冷端基板外表面，最后与热沉或者外界空气换热；铁电薄膜的导热系数与外加电场的大小有关，可实现热路中热流大小的动态调控，降低或升高所述热管理对象的温度，满足不同工况下热管理的需要。

7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：该程序被处理器执行时实现如权利要求5～6中任一项所述的基于外场驱动铁电材料晶格相变的热开关中的步骤。

8.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求5～6中任一项所述的基于外场驱动铁电材料晶格相变的热开关方法中的步骤。

技术总结
本发明涉及一种基于外场驱动铁电材料晶格相变的热开关调控方法。所述热开关，包括：热端基板、第一电极、铁电薄膜、第二电极和冷端基板；所述热端基板一侧贴于热管理对象表面；所述第一电极一侧贴于所述热端基板另一侧；所述铁电薄膜一侧贴于所述第一电极另一侧；所述第二电极一侧贴于所述铁电薄膜另一侧；所述冷端基板贴于所述第二电极的另一侧。所述方法，通过施加电场改变铁电材料的晶格结构，实现导热系数的可逆调控和热开关的功能。本发明操作方便、结构简单、加工容易、热管理性能好。

技术研发人员：刘晨晗,陈云飞,陈祖煌,卢平,卓蒙,许陆瑜,雷佳侗,陈民
受保护的技术使用者：南京师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25