低电压驱动的泡沫状石墨烯热致发声器

Small热致发声器是一种基于焦耳热转换为声波的能量转换器,其频响范围宽、无需振动元件的显著特点在模拟发声、三维成像等领域具有潜在的应用。然而常规材料热声效应非常微弱,难以实际应用。近年来在低维碳材料中发现可观的热声效应,使构建实用热声器件成为可能。石墨烯具有单位面积热容极低、热导率非常高的优异特性,作为理想的热致发声材料而受到广泛关注。在以往的研究中,转移到基底上的石墨烯薄膜由于对基底的传热,严重影响其发声性能。且基于石墨烯薄膜的发声器通常驱动电压较高,不利于在恒压驱动环境如便携式电子设备中的应用。

南京航空航天大学纳米科学研究所郭万林教授团队针对这一问题进行了细致研究,发现以三维泡沫状石墨烯材料构建的热声元件,能显著抑制对基底的热散失,并且在较低的驱动电压下产生大的声压值相关结果在线发表在Small

 空气中的导体施加电流时,产生的焦耳热会对导体附近空气加热。当电流为周期性的交变电流时,会产生周期性变化的焦耳热脉冲,使周围空气发生周期性膨胀,从而产生声波,即热致发声。要获得显著的热致发声效应,导体必须具有低比热、高热导的性质。该研究团队以泡沫镍为模板,通过化学气相沉积的方法制备了三维石墨烯泡沫。组成石墨烯泡沫的网络由单层至多层的石墨烯膜构成,保持了石墨烯单位面积比热低、热导高的优异性质。同时,悬空的石墨烯薄膜产生的焦耳热直接加热周围的空气介质,有效地降低了热损失。而且由于石墨烯骨架的互联,石墨烯泡沫的面内电阻低,能在较低的驱动电压下产生较高的声压。进一步研究发现该石墨烯泡沫的热声特性与其微观结构有关,通过对其结构的调控能进一步提高热致发声的性能,从而满足实际应用的需要。

相关工作得到了国家科技部973计划,国家自然科学基金,江苏省自然科学基金,机械结构力学及控制国家重点实验室研究基金,中央高校基本科研业务费专项资金以及江苏省研究生培养创新工程的资助。

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