本發(fā)明屬于主動式熱泵和微電子熱管理，涉及鐵電高分子材料的堿性化學處理、多層電容結(jié)構(gòu)的鐵電高分子薄膜構(gòu)建，以及高通量熱開關(guān)的熱泵裝置設計和構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

1、近幾十年來，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，微電子器件的集成度和功耗增加其引起的發(fā)熱量更是呈指數(shù)增長。微電子芯片的散熱問題日益突出，并逐漸成為該領(lǐng)域的主要挑戰(zhàn)之一。傳統(tǒng)的風冷散熱器難以滿足電子設備的小型化和高散熱效率需求?；谡魵鈮嚎s制冷技術(shù)(如空調(diào)，冰箱等)目前已達到了熱力學極限，并難以做到小型化尺寸去適應微型電子設備的熱管理需求。此外，蒸氣壓縮制冷技術(shù)還面臨著許多不可克服的缺點，如成本高、制冷性能系數(shù)低，cop小于3、環(huán)境污染等。值得注意的是，微流控熱開關(guān)技術(shù)可以有效地應用在微電子器件的熱管理上。通過液體的流動，在高發(fā)熱的電子器件上進行循環(huán)搬運熱量從而達到制冷目的。但微流管中的液體溫度會逐步被加熱，并降低制冷效果，同時過熱的液體介質(zhì)會造成冷卻效率的不穩(wěn)定，嚴重降低散熱效果。因此，亟需一種新型化的熱管理方案與結(jié)合微流體熱開關(guān)并保障電子器件高效運行。

2、隨著科研人員的不斷推進，固態(tài)制冷技術(shù)差取得了不斷的進展。固態(tài)制冷技術(shù)由于其制冷響應快，不含溫室效應如氫氟烴等有害氣體，得到了大家的廣泛關(guān)注。這種能夠?qū)崿F(xiàn)高效熱管理的制冷技術(shù)有望取代傳統(tǒng)的蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)。同時，固態(tài)熱管理裝置表現(xiàn)出尺寸小和結(jié)構(gòu)簡單等特點，可以更易集成到電子設備系統(tǒng)中，是保證電子設備高效運行的途徑之一。在所有卡效應制冷技術(shù)中，彈卡制冷和磁卡制冷需要巨大的外置設備來引入力場和磁場，因此難以集成在微電子器件中。電卡效應(electrocaloriceffect,ece)制冷技術(shù)，其僅由電場驅(qū)動具有小體積、環(huán)保高效等優(yōu)點，在微電子器件的溫度調(diào)節(jié)方面具有重要的應用前景?；陔娍ㄐ睦鋮s裝置因其高制冷性能系數(shù)(coefficient?ofperformance,cop)、快速響應和輕質(zhì)化，其應用的可行性廣受稱贊。電卡效應在微電子器件的熱管理方面具有很大的應用前景。近期大量的電卡熱管理研究論文極大地推動了基體材料和熱管理器件的進步，為以后熱管理系統(tǒng)的實用性提升了一個嶄新的臺階。

3、將電卡熱效應鐵電高分子構(gòu)建成多層電容器，與微流體熱開關(guān)結(jié)合可以實現(xiàn)高效的冷熱分離和超薄的高通量制冷器件，給微電子產(chǎn)品的熱失效和熱集中問題提供了高制冷密度方案。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對目前微電子產(chǎn)品的熱失效、熱故障和現(xiàn)有的散熱器件體積大、制冷效率低等問題。本發(fā)明制備了一種超薄的高通量電卡制冷器件，包括鐵電高分子材料的堿性化學處理、多層電容結(jié)構(gòu)的鐵電高分子薄膜，以及高通量熱開關(guān)的熱泵裝置設計和構(gòu)建方法。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案：對鐵電高分子[p(vdf-trfe)、p(vdf-trfe-cfe)、p(vdf-trfe-ctfe)等]進行弱堿性[(c\h9n、naoh、c6h15n、koh?si(oh)4、nh3·h2o,等)]化學改性，在其主鏈上脫cl組成c＝c提升點卡熱效應、將弱堿化學改性的鐵電高分子進行清洗，采用去離子水、丙酮、乙酸和乙醇循環(huán)清洗、將鐵電高分子溶于有機溶劑(二甲基亞砜、n,n-二甲基甲酰胺、丙酮二甲基亞砜，丁酮等)，采用旋涂、刮涂法等方式制備多層電卡熱效應薄膜、將電卡熱效應薄膜上下表面蒸鍍金、銅、銀等金屬電極，組成多層電容器結(jié)構(gòu)。

3、本發(fā)明的一種超薄的高通量電卡制冷器件，包括從最上層的石墨烯片，用于循環(huán)熱量的快速導出、微泵推動的液態(tài)金屬熱傳導，用于流通性熱開關(guān)導熱、絕緣膠帶，用于鐵電高分子的電場絕緣保護、電卡熱效應的鐵電高分子薄膜，用于產(chǎn)生電卡熱效應循環(huán)和制冷、未流通的中空絕熱層，用于熱斷開和絕熱、和流通的熱傳導液態(tài)金屬，用于熱連接和熱閉合傳導。鐵電高分子薄膜表面的金屬金屬電極采用細銀線連接，從側(cè)口引出后采用熱熔膠焊封。所述的電卡熱效應鐵電高分子薄膜為弱堿化學處理的多層電容高分子薄膜疊層。

4、本發(fā)明的一種超薄的高通量電卡制冷器件制備，通過在鐵電高分子中進行弱堿化學改性、表面蒸鍍金、銅、銀等金屬電極，熱壓組成多層電容器結(jié)構(gòu)、

5、，以及采取流動液態(tài)金屬作為導熱開關(guān)的高通量制冷器件。包括以下步驟：

6、1)對鐵電高分子[p(vdf-trfe)、p(vdf-trfe-cfe)、p(vdf-trfe-ctfe)等]進行弱堿性[(c3h9n、naoh、c6h15n、koh?si(oh)4、nh3·h2o,等)]化學改性，在其主鏈上脫cl組成c＝c，其中鐵電高分子和弱堿性化學試劑的物質(zhì)的量比在0.5～4:1mol，反應時間在0.1～24h，處理溫度在0～100℃。

7、2)將弱堿化學改性的鐵電高分子進行清洗，采用10～200ml去離子水、10～200ml丙酮、10～200ml濃度為1～20wt％的乙酸和10～200ml乙醇循環(huán)清洗3～10次。

8、3)將鐵電高分子溶于有機溶劑(二甲基亞砜、n,n-二甲基甲酰胺、丙酮二甲基亞砜，丁酮等)，制備成濃度為3～15wt％溶液，采用旋涂、刮涂法等方式制備厚度為25～100μm的電卡熱效應薄膜，通過熱壓方式制備厚度為0.5～2mm的多層電卡熱效應薄膜。

9、4)在電卡熱效應薄膜上下表面蒸鍍金、銅、銀等金屬電極，組成多層電容器結(jié)構(gòu)，層數(shù)為5～50層。

10、5)采取微泵推動液態(tài)金屬循環(huán)構(gòu)建高通量電卡制冷器件，夜態(tài)金屬導熱系數(shù)為30～60w/(m·k)。

11、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供了一種超薄的高通量電卡制冷器件，使用流通液態(tài)金屬循環(huán)構(gòu)成導熱開關(guān)，使電卡制冷器件運行過程中快速導熱和實現(xiàn)高通量制冷，運行過程中無噪音，并且只有極少的能耗。該高通量電卡制冷器件主要從以下方面進行設計構(gòu)建：對鐵電高分子[p(vdf-trfe)、p(vdf-trfe-cfe)、p(vdf-trfe-ctfe)等]進行弱堿性[(c3h9n、naoh、c6h15n、koh?si(oh)4、nh3·h2o,等)]化學改性，在其主鏈上脫cl組成c＝c提升電卡熱效應、將弱堿化學改性的鐵電高分子進行清洗，采用(去離子水、丙酮、乙酸和乙醇)循環(huán)清洗，將鐵電高分子溶于有機溶劑(二甲基亞砜、n,n-二甲基甲酰胺、丙酮二甲基亞砜，丁酮等)，采用旋涂、刮涂法等方式制備電卡熱效應薄膜、將電卡熱效應薄膜上下表面蒸鍍金、銅、銀等金屬電極，熱壓組成多層電容器結(jié)構(gòu)、流通的液態(tài)金屬循環(huán)作為導熱開關(guān)構(gòu)建高通量電卡制冷器件。證明液態(tài)金屬導熱開關(guān)的效果冷熱分離效果。實現(xiàn)了高通量的制冷和大電卡溫差。

技術(shù)特征：

1.一種超薄的高通量電卡制冷器件及其構(gòu)建方法，其特征是包括：對鐵電高分子[p(vdf-trfe)、p(vdf-trfe-cfe)、p(vdf-trfe-ctfe)等]進行弱堿性[(c3h9n、naoh、c6h15n、koh?si(oh)4、nh3·h2o,等)]化學改性，在其主鏈上脫cl組成c＝c提升電卡熱效應，其中鐵電高分子和弱堿性化學試劑的物質(zhì)的量比在0.5～4:1mol，反應時間在0.1～24h，處理溫度在0～100℃。

2.一種超薄的高通量電卡制冷器件及其構(gòu)建方法，其特征是包括：將弱堿化學處理的鐵電高分子進行清洗，采用10～200ml去離子水、10～200ml丙酮、10～200ml濃度為1～20wt％的乙酸和10～200ml乙醇循環(huán)清洗3～10次。

3.一種超薄的高通量電卡制冷器件及其構(gòu)建方法，其特征是包括：具有多層電容結(jié)構(gòu)的電卡熱效應薄膜。將鐵電高分子溶于有機溶劑(二甲基亞砜、n,n-二甲基甲酰胺、丙酮二甲基亞砜，丁酮等)，制備成濃度為3～15wt％溶液，采用旋涂、刮涂法等方式制備厚度為25～100μm的電卡熱效應薄膜。

4.一種超薄的高通量電卡制冷器件及其構(gòu)建方法，其特征是包括：將電卡熱效應薄膜上下表面蒸鍍金、銅、銀等金屬電極，在50～120℃下熱壓0.2～2h組成多層電容器結(jié)構(gòu)，層數(shù)為5～50層，厚度為0.5～2mm。

5.一種超薄的高通量電卡制冷器件及其構(gòu)建方法，其特征是包括：液態(tài)金屬循環(huán)導熱開關(guān)的構(gòu)建，包括從最上層的石墨烯通道，用于循環(huán)熱量的快速導出、微泵推動的液態(tài)金屬，用于流動和導熱開關(guān)、絕緣膠帶，用于鐵電高分子的電場絕緣保護、多層電容結(jié)構(gòu)的鐵電高分子薄膜，用于產(chǎn)生電卡熱效應循環(huán)和制冷、未流通液態(tài)金屬的熱斷開，用于熱斷開和散熱向上傳導、流通液態(tài)金屬的熱閉合通路，用于熱閉合和制冷向下傳導。多層鐵電高分子側(cè)面引入細銀線，用于施加電卡電場。

6.一種超薄的高通量電卡制冷器件及其構(gòu)建方法，其特征是包括：超薄結(jié)構(gòu)和高通量制冷密度，器件整體尺寸在1～3mm,制冷密度達到2～6w。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超薄的高通量電卡制冷器件及其構(gòu)建方法，其特征是：鐵電高分子在弱堿化學改性后需采用孔徑為0.1～1μm的聚四氟乙烯過濾膜凈化。

8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種超薄的高通量電卡制冷器件及其構(gòu)建方法，其特征是：清洗過程中采用20～150w水浴超聲0.2～10h，洗滌后采用離心機在100～300rpm下收集沉淀物。

9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種超薄的高通量電卡制冷器件及其構(gòu)建方法，其特征是：電卡熱效應薄膜的制備溫度為40～120℃，接著真空退火2～100h。

10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種超薄的高通量電卡制冷器件及其構(gòu)建方法，其特征是：液態(tài)金屬的導熱系數(shù)為30～60w/(m·k)。

11.一種基于電卡效應的點陣式精準時空制冷器件，其特征是通過權(quán)利要求1-10任一項制備方法得到。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種超薄的高通量電卡制冷器件及其構(gòu)建方法，屬于主動式熱泵和微電子熱管理技術(shù)領(lǐng)域，涉及鐵電高分子的弱堿化學處理、多層電容結(jié)構(gòu)的高分子薄膜構(gòu)建，液態(tài)金屬導熱開關(guān)的熱泵設計和構(gòu)建方法。包括：弱堿化學處理提升電卡熱性能，多層電容結(jié)構(gòu)的高分子薄膜設計和液態(tài)金屬循環(huán)的導熱開關(guān)散熱[A]和制冷[B]器件。從上至下為導熱石墨烯導帶[1]、流動的液態(tài)金屬[2]、絕緣膠帶[3]、電卡熱效應的多層鐵電高分子薄膜[4]、未流通液態(tài)金屬的熱開關(guān)斷路[5]和流通液態(tài)金屬的熱開關(guān)閉合[6]，整個器件的厚度＜3mm，制冷量＞2W。本發(fā)明采用流動液態(tài)金屬實現(xiàn)導熱開關(guān)和高通量制冷，為微電子產(chǎn)品的熱失效和熱故障等問題提供了高效制冷方案。

技術(shù)研發(fā)人員：白培加,李宜彬,孫賢賢,王沙沙,徐惠彬
受保護的技術(shù)使用者：天目山實驗室
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9