浙大團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新多孔水凝膠涂層，破解電力電子設(shè)備液體噴霧冷卻難題
文章來源：賢集網(wǎng) 更新時間：2024-09-27 15:38:33
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在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時代，電力電子設(shè)備的性能和穩(wěn)定性對于各個領(lǐng)域的發(fā)展至關(guān)重要。然而，電子設(shè)備在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量熱量，過熱問題嚴(yán)重影響其效率、壽命甚至可能導(dǎo)致永久性損壞。為解決這一問題，液體噴霧冷卻技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，但該技術(shù)在水的利用效率方面存在挑戰(zhàn)。浙江大學(xué)化工學(xué)院趙騫教授團(tuán)隊(duì)的研究成果為這一問題提供了創(chuàng)新性的解決方案，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。 一、液體噴霧冷卻技術(shù)現(xiàn)狀及問題 廣泛應(yīng)用與優(yōu)勢 液體噴霧冷卻因其高熱傳遞通量、靈活的溫度控制以及操作簡單等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電力電子設(shè)備的熱管理。在工業(yè)界，它是眾多冷卻方法中的重要一員，與輻射制冷、熱管冷卻等方法共同為工業(yè)設(shè)備降溫保駕護(hù)航。水作為冷卻液在液體噴霧冷卻中具有突出優(yōu)勢，其成本低、無污染且具有高蒸發(fā)焓，能夠有效地吸收設(shè)備產(chǎn)生的熱量并通過蒸發(fā)帶走熱量，實(shí)現(xiàn)降溫目的。 水浪費(fèi)問題及現(xiàn)有解決方案的局限性 直接噴水進(jìn)行冷卻雖然簡單直接，但在開放系統(tǒng)中會不可避免地導(dǎo)致大量水浪費(fèi)。為減少水的消耗，采用水凝膠涂層保水是一種思路，但現(xiàn)有的非多孔水凝膠涂層存在水再吸收緩慢的問題，限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的效果。  多孔水凝膠雖能顯著提高吸水再生速度，然而現(xiàn)有的多孔水凝膠制備方法如凍干、發(fā)泡、犧牲模板等難以與現(xiàn)有的水凝膠涂裝技術(shù)（如表面橋接、表面聚合、浸涂和噴涂等）相匹配，使得在不規(guī)則設(shè)備表面原位大面積涂裝多孔水凝膠成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)。 二、浙大團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新方法及原理 噴涂方法的步驟與原理： 團(tuán)隊(duì)提出的創(chuàng)新噴涂方法分為兩步。首先噴涂聚乙烯醇（PVA）和單寧酸（TA）混合粉末，隨后噴涂戊二醛（GA）水溶液。 PVA 和 TA 的水溶解會導(dǎo)致氫鍵網(wǎng)絡(luò)的瞬時形成，這一過程能夠固定初始顆粒間的孔隙。接著，PVA 與 GA 之間的后續(xù)化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)不僅永久穩(wěn)定了孔隙，還增強(qiáng)了涂層的機(jī)械性能。 多孔結(jié)構(gòu)形成機(jī)理的關(guān)鍵因素： TA 含量的影響：當(dāng) TA 含量不足時，初始顆粒間的孔隙難以固定，PVA 完全溶解后才發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，這樣就難以有效形成多孔結(jié)構(gòu)。 GA 濃度的影響：當(dāng) GA 濃度低時，后交聯(lián)不完全，動態(tài)的 PVA/TA 氫鍵網(wǎng)絡(luò)受水分子擴(kuò)散的影響，將逐漸由多孔結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o孔結(jié)構(gòu)。 由此證明，這種兩步交聯(lián)與顆粒溶解的動力學(xué)調(diào)控是形成孔結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。通過精確控制 TA 含量和 GA 濃度，以及交聯(lián)反應(yīng)的過程，可以實(shí)現(xiàn)理想的多孔結(jié)構(gòu)，為快速吸收和固定水分提供基礎(chǔ)。  三、多孔水凝膠涂層的制備與性能 研究利用靜電噴涂方法實(shí)現(xiàn)了多孔水凝膠涂層的大面積制備。通過調(diào)節(jié)電壓與氣流速度等條件，可以精確控制涂層的厚度，滿足不同設(shè)備和應(yīng)用場景的需求。 機(jī)械穩(wěn)定性與附著力：多孔涂層具有機(jī)械穩(wěn)定性與較強(qiáng)的附著力，能夠穩(wěn)定涂裝在木材、金屬、玻璃、塑料等不同材料表面，無論是平面還是任意復(fù)雜形狀的表面，都能被均勻涂裝。這一特性使得該涂層在實(shí)際應(yīng)用中具有廣泛的適用性，能夠滿足各種電力電子設(shè)備以及其他不同材質(zhì)設(shè)備的熱管理需求。 高效吸水與長效保持：在太陽能發(fā)電板等功率電子器件上形成的多孔水凝膠涂層，可快速且可重復(fù)地吸收噴淋水，并長效保持。這種特性使得在熱管理過程中，能夠利用更少的冷卻水實(shí)現(xiàn)更高效并持久的降溫效果，從而提高電子設(shè)備的工作效率，延長其使用壽命，降低維護(hù)成本。 四、創(chuàng)新成果的應(yīng)用前景及拓展 該研究成果為電力電子設(shè)備的熱管理提供了一種高效、可持續(xù)的解決方案。通過提高水的利用效率，減少了水資源的浪費(fèi)，同時實(shí)現(xiàn)了更有效的降溫，有助于提高電子設(shè)備的性能和穩(wěn)定性，延長其使用壽命。這對于電子信息產(chǎn)業(yè)、電力能源產(chǎn)業(yè)等眾多領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義，有望推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級和可持續(xù)發(fā)展。 這種簡單高效的多孔涂層制備原理具有廣闊的拓展空間，可以擴(kuò)展至其他聚合物體系，以提高其他冷卻介質(zhì)的使用效率。除了熱管理領(lǐng)域，在農(nóng)業(yè)方面，可應(yīng)用于農(nóng)作物的灌溉和保濕，提高水資源的利用效率，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展；在環(huán)境領(lǐng)域，可能用于水資源的凈化和循環(huán)利用，以及環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的熱管理等；在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，有望應(yīng)用于生物傳感器的溫度控制、藥物輸送系統(tǒng)的優(yōu)化等與水相關(guān)的場景，為這些領(lǐng)域的發(fā)展提供新的技術(shù)支持和思路。 結(jié)論 浙江大學(xué)化工學(xué)院趙騫教授團(tuán)隊(duì)的研究成果在液體噴霧冷卻技術(shù)領(lǐng)域取得了重要突破。通過創(chuàng)新的噴涂方法和對多孔結(jié)構(gòu)形成機(jī)理的深入研究，成功實(shí)現(xiàn)了原位快速形成多孔水凝膠涂層，解決了液體噴霧冷卻中水浪費(fèi)和水凝膠涂層水再吸收緩慢的問題。該成果不僅在電力電子設(shè)備熱管理方面具有顯著的應(yīng)用前景，還為其他領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的可能性。這一創(chuàng)新研究體現(xiàn)了科學(xué)研究在解決實(shí)際問題中的重要作用，有望為推動多個行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出積極貢獻(xiàn)，未來值得進(jìn)一步深入研究和廣泛推廣應(yīng)用。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_558626.html 來源：賢集網(wǎng) 著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請注明出處。 |
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