CN109974514B - 热三极管及热路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种热三极管，包括：一第一热极与一第二热极，所述第一热极由金属材料制成，所述第二热极由非金属材料制成，所述第一热极与所述第二热极紧密接触形成一热界面；一热阻调节单元，用于在所述热界面处产生调控电场。本发明提供的热三极管简单、有效地实现了热整流，为进一步制造各种热逻辑器件提供了可能。

Description

热三极管及热路
技术领域
本发明涉及热学技术领域，尤其涉及一种热三极管。
背景技术
当热量流过两个相接触的固体的交界面时，界面本身对热流呈现出明显的热阻，即界面热阻(interfacial thermal resistance)。通过调控界面热阻的大小可以实现热逻辑控制，并可以在此基础上制造热学器件。然而，现有技术中尚没有一种能够有效的控制界面热阻的方法以及界面热阻可调的热学器件。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种热三极管，以克服现有技术中的不足。
一种热三极管，包括：一第一热极与一第二热极，所述第一热极由金属材料制成，所述第二热极由非金属材料制成，所述第一热极与所述第二热极紧密接触形成一热界面；一热阻调节单元，用于在所述热界面处产生调控电场。
相较于现有技术，本发明提供的热三极管可以利用电场调控金属热介质与非金属热介质交界面处的热阻。简单、有效地实现了热整流，为进一步制造各种热逻辑器件提供了可能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的界面热阻调控方法流程图。
图2为本发明实施例提供的一种界面热阻调控方法示意图。
图3为本发明实施例中第一热极与第二热极部分重合示意图。
图4为本发明实施例提供的碳纳米管膜中碳纳米管片断的结构示意图。
图5为本发明实施例提供的另一种界面热阻调控方法示意图。
图6为图5提供的界面热阻调控方法对应的电压-热阻关系图。
图7为本发明实施例提供的一种热三极管界结构示意图。
图8为本发明实施例提供的另一种热三极管界结构示意图。
图9为本发明实施例提供的热路示意图。
图10为本发明实施例提供的热三极管的制备方法流程图。
主要元件符号说明
热三极管 50a、50b
第一热极 10
第一端 11
第二端 13
第二热极 20
第三端 21
第四端 23
热界面 100
热阻调节单元 30a
第一电极 31
第二电极 33
第一控制模块 35a
第二控制模块 35b
旋转装置 353
电压提供装置 37
外壳 40
碳纳米管片段 122
碳纳米管 124
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
请参阅图1-2，本发明实施例提供一种界面热阻调控方法，用于调控金属材料与非金属材料交界面处的热阻。所述调控方法包括：
步驟S11，提供一第一热极10与一第二热极20，所述第一热极10由金属材料制成，所述第二热极20由非金属材料制成，所述第一热极10与所述第二热极20紧密接触形成一热界面100；以及
步驟S12，通过改变所述热界面100处的电场强度(方向和/或强弱)调节所述热界面100处的热阻。
步骤S11中，所述第一热极10、所述第二热极20均由热导材料制成，区别在于制成所述第一热极10的热导材料为金属材料，包括金属单质或合金，如铜、铝、铁、金、银等，制成所述第二热极20的热导材料为非金属材料，优选为导电非金属材料，如碳纳米管、石墨烯、碳纤维等。所述第一热极10与所述第二热极20的形状和尺寸不限，但如果减小所述第一热极10与所述第二热极的厚度，界面热阻变化将更为明显。所述第一热极10与所述第二热极20保持紧密接触可以使热量尽可能多的在所述第一热极10与所述第二热极20之间传递。所述第一热极10与所述第二热极20可以设置在一密闭空间，优选真空中，以减少外界气流的干扰。
本实施例中，所述第一热极10为铜片，长与宽均约为15mm，厚度在0.1mm至1mm之间，优选为0.2mm至0.6mm之间，本实施例中该铜片的厚度约为0.5mm。优选地，所述铜片形成热界面100的表面光滑，以使热界面100处能够紧密接触。
本实施例中，所述第二热极20为碳纳米管纸(buckypaper)，长与宽均约为15mm，厚度在30μm至120μm之间，优选为35μm至75μm之间，本实施例中该碳纳米管纸的厚度约为52μm。所述碳纳米管纸的密度在0.3g/cm3至1.4g/cm3之间，优选为0.8g/cm3至1.4g/cm3之间，本实施例中该碳纳米管纸的密度在1.2g/cm3至1.3g/cm3之间。
所述第一热极10与所述第二热极20层叠设置形成一热界面100。所述层叠设置可以是所述第一热极10与所述第二热极20完全重合，也可以是所述第一热极10与所述第二热极20部分重合。图3给出了两种所述第一热极10与所述第二热极20部分重合的示例。
所述碳纳米管纸包括多个碳纳米管，该多个碳纳米管中相邻的两个碳纳米管之间通过范德华力首尾相连，且该多个碳纳米管沿同一方向择优取向排列。
本实施例中所述碳纳米管纸的制备方法为：
S101，提供一超顺排碳纳米管阵列；
S102，从所述超顺排碳纳米管阵列中选取多个碳纳米管，对该多个碳纳米管施加一拉力，从而形成一碳纳米管膜；以及
S103，将多个所述碳纳米管膜层叠设置，挤压层叠设置的多个碳纳米管膜。
步骤S101中，所述碳纳米管优选为多壁碳纳米管，直径在10nm至20nm之间。
步骤S102中，所述碳纳米管膜为从一超顺排碳纳米管阵列中拉取获得，该碳纳米管膜包括多个首尾相连且沿拉伸方向择优取向排列的碳纳米管。所述碳纳米管均匀分布，且平行于碳纳米管膜表面。所述碳纳米管膜中的碳纳米管之间通过范德华力连接。一方面，首尾相连的碳纳米管之间通过范德华力连接，另一方面，平行的碳纳米管之间部分亦通过范德华力结合。请参阅图4，所述碳纳米管膜进一步包括多个首尾相连的碳纳米管片段122，每个碳纳米管片段122由多个相互平行的碳纳米管124构成，碳纳米管片段122两端通过范德华力相互连接。该碳纳米管片段122具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。所述碳纳米管可以为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管中的一种或者多种。
步骤S103中，将多个所述碳纳米管膜层叠设置，所述碳纳米管的层数在800层至1500层之间，优选为900层至1200层，本实施例中层数约为1000层。
步骤S12中，所述热界面100处的电场强度可以通过多种方法进行改变，例如，可以通过在所述热界面100处施加一外部调控电场E改变所述热界面100处的电场强度，或者可以通过对所述第一热极10与所述第二热极20施加一偏置电压U12改变所述热界面100处的电场强度。
方法一)在所述热界面100处施加外部调控电场E
请参见图2，定义垂直于所述热界面100且由所述第一热极10指向所述第二热极20的方向为第一方向，定义垂直于所述热界面100且由所述第二热极20指向所述第一热极10的方向为第二方向。在所述热界面100处施加外部调控电场E，通过改变该外部调控电场E的方向和/或强弱调节所述热界面100处的电场。例如，可以通过在一定范围内增加所述外部调控电场E在第一方向的大小(减小所述外部调控电场E在第二方向的大小)提高所述热界面100处的热阻，或者通过在一定范围内减小所述外部调控电场E在第一方向的大小(增加所述外部调控电场E在第二方向的大小)降低所述热界面100处的热阻。
方法二)在所述第一热极10与所述第二热极20施加偏置电压U12
请一并参见图5与图6，所述第一热极10与所述第二热极20分别连接电压源的两个输出电极，通过改变所述第一热极10与所述第二热极20之间的偏置电压U12调节所述热界面100处的电场强度。所述偏置电压U12的范围可以选取在在-3V～3V之间，优选为-1V～1V。当所述偏置电压U12大于0V时，即所述第一热极10的电势高于所述第二热极20的电势，此时热界面100处的热阻大于偏置电压U12为零时的热阻，且当0V<U12<0.2V时，热界面100处的热阻随着U12绝对值的升高而升高，当U12达到0.2V附近时，热界面100处的热阻达到最大值；当所述偏置电压U12小于0V时，即所述第一热极10的电势低于所述第二热极20的电势，此时热界面处的热阻小于偏置电压U12为零时的热阻，且当-0.9V<U12<-0.4V时，热界面处的热阻随着U12绝对值的升高而降低。
步骤S12中还可以进一步包括：通过测量所述热界面100在不同电场(调控电场/偏置电压)下的界面热阻，获得电场-界面热阻关系曲线，并根据该电场-界面热阻关系曲线设定某一目标界面热阻所需的电场或某一电场下的界面热阻。
本发明实施例提供的界面热阻调控方法利用电场调控金属热介质与非金属热介质交界面处的热阻。简单、有效地实现了热整流，可以在该方法的基础上进一步制造各种热逻辑器件。
请参见图7，本发明实施例进一步提供一种热三极管50a，包括：第一热极10、第二热极20、热阻调节单元30a。
所述第一热极10、所述第二热极20均由热导材料制成，区别在于制成所述第一热极10的热导材料为金属或合金材料，如铜、铝、铁、金、银等，制成所述第二热极20的热导材料为非金属材料，优选为导电非金属材料，如碳纳米管、石墨烯、碳纤维等。本实施例中所述第一热极10为铜片，所述第二热极20为碳纳米管纸(buckypaper)。
所述第一热极10与所述第二热极20的形状和尺寸不限，但如果减小所述第一热极10与所述第二热极20的厚度，界面热阻变化将更为明显。所述第一热极10与所述第二热极20保持紧密接触可以使热量尽可能多的在所述第一热极10与所述第二热极20之间传递。本实施例中，所述第一热极10的长与宽均约为15mm，厚度在0.1mm至1mm之间，优选为0.2mm至0.6mm之间，例如0.5mm。所述第二热极20的长与宽均约为15mm，厚度在30μm至120μm之间，优选为35μm至75μm之间，例如52μm。所述碳纳米管纸的密度在0.3g/cm3至1.4g/cm3之间，优选为1.2g/cm3至1.3g/cm3之间。
所述第一热极10包括第一端11以及第二端13，所述第二热极20包括第三端21以及第四端23。优选地，所述第一端11与所述第二端13相对设置，所述第三端21与所述第四端23相对设置。所述第一端11与所述第三端21相互接触形成热界面100。优选地，所述第一端11与所述第三端21的表面光滑，以使热界面100处能够紧密接触。所述第二端13、第四端23为热三极管50a的输入输出端。
所述热阻调节单元30a用于改变所述热界面100处的电场。本实施例中，所述热阻调节单元30a包括一电压提供装置37，该电压提供装置37分别与所述第一热极10、所述第二热极20电连接，控制所述第一热极10、所述第二热极20的电势，在所述第一热极10、所述第二热极20之间形成一偏置电压U。所述偏置电压U的范围在-2V～2V之间，具体可以根据需求而设定。
所述热阻调节单元30a还可以进一步包括一第一控制模块35a，与所述电压提供装置37电连接，用于控制所述电压提供装置37的提供偏置电压U。该第一控制模块35a中存储有偏置电压与界面热阻的对应关系，所述第一控制模块35a可以根据上述对应关系获得某一目标界面热阻所需的偏置电压或某一偏置电压下的界面热阻，并将该计算结果传递给所述电压提供装置37控制该电压提供装置37提供偏置电压U。
进一步地，所述热三极管50a包括一外壳40，所述第一热极10与所述第二热极20设置在该外壳40形成的密闭空间，优选为真空密闭空间，使所述第一热极10、所述第二热极20与外界绝热，减少工作时外界气流的干扰。
请参阅图8，本发明实施例进一步提供一种热三极管50b，包括：第一热极10、第二热极20、热阻调节单元。
本实施例与提供的热三极管50b与上一实施例提供的热三极管50a基本相同，仅区别在于：本实施例中所述热阻调节单元为电场发生装置，用于产生调控电场E。
本实施例提供了一种可供选择的热阻调节单元，包括两个相对且平行设置的第一电极31、第二电极33。所述第一热极10、所述第二热极20设置于该平行的第一电极31与第二电极33之间。所述第一电极31、第二电极33分别携带等量异种电荷，以使在两个电极之间形成电场。
进一步地，为了调控第一电极31、第二电极33之间形成的电场的强度，所述热阻调节单元还包括一第二控制模块35b。具体地，所述控制模块35b包括一电压提供装置37以及一旋转装置353。所述电压提供装置37分别与所述第一电极31、第二电极33电连接，用于调控所述第一电极31与所述第二电极33之间的电压。所述旋转装置353分别与所述第一电极31、所述第二电极33连接，用于调控所述第一电极31、所述第二电极33与所述热界面100之间的夹角a。
进一步地，该第二控制模块35b中存储有调控电场与界面热阻的对应关系，所述第二控制模块35b可以根据上述对应关系获得某一目标界面热阻所需的调控电场或某一调控电场下的界面热阻，并将该计算结果传递给所述电压提供装置37、旋转装置353，控制该电压提供装置37提供的电压U、第一电极31、所述第二电极33与所述热界面100之间的夹角a。
使用时，所述第一电极31与第二电极33分别连接不同电势，在所述热界面100处产生一调控电场E。所述第一电极31与第二电极33之间的电压可以根据需求而设定，以改变调控电场E的大小。所述第一电极31与第二电极33与所述热界面100之间的夹角可以根据需求而设定，以改变调控电场E的方向。
本发明实施例提供的热三极管50a、50b可以利用电场调控金属热介质与非金属热介质交界面处的热阻。简单、有效地实现了热整流，为进一步制造各种热逻辑器件提供了可能。
进一步地，本领域技术人员可以在本实施例提供的热三极管50a、50b的基础上获得一热路，所述第一热极10包括第一端11以及与该第一端11相对设置的第二端13，所述第二热极20包括第三端21以及与该第三端21相对设置的第四端23。所述第一端11与所述第三端21相互接触形成热界面100，所述第三端13与所述第四端23中的一个作为热输入端，与热源或其他热学器件热连接，另一个为热输出端，与另一热源或其他热学器件热连接。所述热连接的方式包括热传导、热辐射以及热对流。图9给出了一种简单的热路示意图。
请参见图10，本发明实施例进一步提供一种热三极管的制备方法，包括以下步骤：
S21，提供一第一热极10与一第二热极20，所述第一热极10为由金属材料制成的层状结构，所述第二热极20为非金属导电材料制成的层状材料；
S22，将所述第一热极10与所述第二热极20层叠设置形成一热界面100；以及
S23，将所述第一热极10与所述第二热极20分别与电压源的电压输出端电连接。
步骤S21中，所述第一热极10可以为常见的金属材料，如铜、铝、铁、金、银等。所述第二热极20为非金属材料，优选为导电非金属材料，如碳纳米管、石墨烯、碳纤维等。所述第一热极10与所述第二热极20的尺寸不限，但如果减小所述第一热极10与所述第二热极的厚度，界面热阻变化将更为明显。所述第一热极10与所述第二热极20保持紧密接触可以使热量尽可能多的在所述第一热极10与所述第二热极20之间传递。
本实施例中所述第一热极10为铜片，长与宽均约为15mm，厚度在0.1mm至1mm之间，优选为0.2mm至0.6mm之间，本实施例中该铜片的厚度约为0.5mm。优选地，所述铜片形成热界面100的表面光滑，以使热界面100处能够紧密接触。
本实施例中所述第二热极20为碳纳米管纸(buckypaper)，长与宽均约为15mm，厚度在30μm至120μm之间，优选为35μm至75μm之间，本实施例中该碳纳米管纸的厚度约为52μm。所述碳纳米管纸的密度在0.3g/cm3至1.4g/cm3之间，优选为0.8g/cm3至1.4g/cm3之间，本实施例中该碳纳米管纸的密度在1.2g/cm3至1.3g/cm3之间。
所述碳纳米管纸包括多个碳纳米管，该多个碳纳米管中相邻的两个碳纳米管之间通过范德华力首尾相连，且该多个碳纳米管沿同一方向择优取向排列。
本实施例中所述碳纳米管纸的制备方法为：
S11，提供一超顺排碳纳米管阵列；
S12，从所述超顺排碳纳米管阵列中选取多个碳纳米管，对该多个碳纳米管施加一拉力，从而形成一碳纳米管膜；以及
S13，将多个所述碳纳米管膜层叠设置，挤压层叠设置的多个碳纳米管膜。
步骤S11中，所述碳纳米管优选为多壁碳纳米管，直径在10nm至20nm之间。
步骤S13中，将多个所述碳纳米管膜层叠设置，所述碳纳米管的层数在800层至1500层之间，优选为900层至1200层，本实施例中层数约为1000层。
步骤S22中，将所述第一热极10与所述第二热极20层叠设置。
进一步地，为了使层叠设置的所述第一热极10与所述第二热极20紧密接触，还可以向第二热极20远离所述热界面100的表面滴加有机溶剂。本实施例中，将有机溶剂滴加在碳纳米管纸表面浸润整个碳纳米管纸，该碳纳米管纸在挥发性有机溶剂的表面张力的作用下完全展开并牢固地贴附在第一热极10表面。所述有机溶剂通常选用挥发性有机溶剂，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿等。
进一步地，为了使所述第一热极10与所述第二热极20在热界面100处能够紧密接触，可以在层叠设置前先去除所述第一热极10与所述第二热极20表面的杂质，例如将第一热极10置于酸性溶液(如稀盐酸)中去除金属材料表面的金属氧化物。
步骤S23中，将所述第一热极10、所述第二热极20分别与电压源的电压输出端电连接，在所述第一热极10与所述第二热极20形成一偏置电压以改变所述热界面100处的电场。可以理解，除本实施例步骤S23的方法外，还可以通过在所述第一热极10与所述第二热极20外部施加一平行板电容器，以形成调控电场E，进而改变所述热界面100处的电场。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (11)

1.一种热三极管，其特征在于，包括：
一第一热极与一第二热极，所述第一热极由固体金属材料制成，所述第二热极由固体非金属材料制成，所述第一热极与所述第二热极紧密接触形成一热界面；
一热阻调节单元，用于在所述热界面处产生调控电场。
2.如权利要求1所述的热三极管，其特征在于，所述热阻调节单元包括两个相对且平行设置的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极分别携带等量异种电荷，所述第一热极和所述第二热极设置于该第一电极与第二电极之间。
3.如权利要求2所述的热三极管，其特征在于，所述热阻调节单元进一步包括一电压提供装置，该电压提供装置分别与所述第一电极和所述第二电极电连接，用于调控所述第一电极与所述第二电极之间的电压。
4.如权利要求3所述的热三极管，其特征在于，所述热阻调节单元进一步包括一旋转装置，该旋转装置分别与所述第一电极和所述第二电极连接，用于调控所述第一电极和所述第二电极与所述热界面之间的夹角。
5.如权利要求4所述的热三极管，其特征在于，所述所述热阻调节单元进一步包括一控制模块与所述电压提供装置、所述旋转装置电连接，所述控制模块中存储有调控电场场强与界面热阻之间的对应关系，所述控制模块根据该对应关系获得目标界面热阻所需的调控电场场强，并控制所述电压提供装置、所述旋转装置提供相应的电场场强。
6.如权利要求1所述的热三极管，其特征在于，所述热三极管进一步包括一外壳，所述第一热极与所述第二热极设置在该外壳形成的密闭空间内。
7.如权利要求6所述的热三极管，其特征在于，所述外壳内的空间为真空。
8.如权利要求1所述的热三极管，其特征在于，所述第一热极包括第一端以及与该第一端相对设置的第二端，所述第二热极包括第三端以及与该第三端相对设置的第四端；所述所述第一端与所述第三端相互接触形成热界面，所述第三端与所述第四端中的一个为热输入端，另一个为热输出端。
9.如权利要求1所述的热三极管，其特征在于，所述第二热极的材料为碳纳米管纸，所述碳纳米管纸的厚度在30μm至120μm之间，密度在0.3g/cm3至1.4g/cm3之间。
10.一种热路，包括如权利要求1-9中任一权利要求所述的热三极管，其特征在于，所述第一热极包括第一端以及与该第一端相对设置的第二端，所述第二热极包括第三端以及与该第三端相对设置的第四端；所述第一端与所述第三端相互接触形成热界面，所述第三端与所述第四端中的一个为热输入端，与热源或热学器件热连接，另一个为热输出端，与另一热源或热学器件热连接。
11.如权利要求10所述的热路，其特征在于，所述热连接的方式包括热传导、热辐射或热对流中的一种或多种。
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