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浙大团队创新多孔水凝胶涂层，破解电力电子设备液体喷雾冷却难题

文章来源：贤集网更新时间：2024-09-27 15:38:33

在当今科技飞速发展的时代，电力电子设备的性能和稳定性对于各个领域的发展至关重要。然而，电子设备在运行过程中会产生大量热量，过热问题严重影响其效率、寿命甚至可能导致永久性损坏。为解决这一问题，液体喷雾冷却技术应运而生，但该技术在水的利用效率方面存在挑战。浙江大学化工学院赵骞教授团队的研究成果为这一问题提供了创新性的解决方案，具有重要的科学意义和应用价值。

一、液体喷雾冷却技术现状及问题

广泛应用与优势

液体喷雾冷却因其高热传递通量、灵活的温度控制以及操作简单等特点，广泛应用于电力电子设备的热管理。在工业界，它是众多冷却方法中的重要一员，与辐射制冷、热管冷却等方法共同为工业设备降温保驾护航。水作为冷却液在液体喷雾冷却中具有突出优势，其成本低、无污染且具有高蒸发焓，能够有效地吸收设备产生的热量并通过蒸发带走热量，实现降温目的。

水浪费问题及现有解决方案的局限性

直接喷水进行冷却虽然简单直接，但在开放系统中会不可避免地导致大量水浪费。为减少水的消耗，采用水凝胶涂层保水是一种思路，但现有的非多孔水凝胶涂层存在水再吸收缓慢的问题，限制了其在实际应用中的效果。

多孔水凝胶虽能显著提高吸水再生速度，然而现有的多孔水凝胶制备方法如冻干、发泡、牺牲模板等难以与现有的水凝胶涂装技术（如表面桥接、表面聚合、浸涂和喷涂等）相匹配，使得在不规则设备表面原位大面积涂装多孔水凝胶成为一项挑战。

二、浙大团队的创新方法及原理

喷涂方法的步骤与原理：

团队提出的创新喷涂方法分为两步。首先喷涂聚乙烯醇（PVA）和单宁酸（TA）混合粉末，随后喷涂戊二醛（GA）水溶液。

PVA 和 TA 的水溶解会导致氢键网络的瞬时形成，这一过程能够固定初始颗粒间的孔隙。接着，PVA 与 GA 之间的后续化学交联反应不仅永久稳定了孔隙，还增强了涂层的机械性能。

多孔结构形成机理的关键因素：

TA 含量的影响：当 TA 含量不足时，初始颗粒间的孔隙难以固定，PVA 完全溶解后才发生交联反应，这样就难以有效形成多孔结构。

GA 浓度的影响：当 GA 浓度低时，后交联不完全，动态的 PVA/TA 氢键网络受水分子扩散的影响，将逐渐由多孔结构转变为无孔结构。

由此证明，这种两步交联与颗粒溶解的动力学调控是形成孔结构的关键。通过精确控制 TA 含量和 GA 浓度，以及交联反应的过程，可以实现理想的多孔结构，为快速吸收和固定水分提供基础。

三、多孔水凝胶涂层的制备与性能

研究利用静电喷涂方法实现了多孔水凝胶涂层的大面积制备。通过调节电压与气流速度等条件，可以精确控制涂层的厚度，满足不同设备和应用场景的需求。

机械稳定性与附着力：多孔涂层具有机械稳定性与较强的附着力，能够稳定涂装在木材、金属、玻璃、塑料等不同材料表面，无论是平面还是任意复杂形状的表面，都能被均匀涂装。这一特性使得该涂层在实际应用中具有广泛的适用性，能够满足各种电力电子设备以及其他不同材质设备的热管理需求。

高效吸水与长效保持：在太阳能发电板等功率电子器件上形成的多孔水凝胶涂层，可快速且可重复地吸收喷淋水，并长效保持。这种特性使得在热管理过程中，能够利用更少的冷却水实现更高效并持久的降温效果，从而提高电子设备的工作效率，延长其使用寿命，降低维护成本。

四、创新成果的应用前景及拓展

该研究成果为电力电子设备的热管理提供了一种高效、可持续的解决方案。通过提高水的利用效率，减少了水资源的浪费，同时实现了更有效的降温，有助于提高电子设备的性能和稳定性，延长其使用寿命。这对于电子信息产业、电力能源产业等众多领域的发展具有重要意义，有望推动相关产业的技术升级和可持续发展。

这种简单高效的多孔涂层制备原理具有广阔的拓展空间，可以扩展至其他聚合物体系，以提高其他冷却介质的使用效率。除了热管理领域，在农业方面，可应用于农作物的灌溉和保湿，提高水资源的利用效率，促进农业生产的可持续发展；在环境领域，可能用于水资源的净化和循环利用，以及环境监测设备的热管理等；在生物医学领域，有望应用于生物传感器的温度控制、药物输送系统的优化等与水相关的场景，为这些领域的发展提供新的技术支持和思路。

结论

浙江大学化工学院赵骞教授团队的研究成果在液体喷雾冷却技术领域取得了重要突破。通过创新的喷涂方法和对多孔结构形成机理的深入研究，成功实现了原位快速形成多孔水凝胶涂层，解决了液体喷雾冷却中水浪费和水凝胶涂层水再吸收缓慢的问题。该成果不仅在电力电子设备热管理方面具有显著的应用前景，还为其他领域的发展提供了新的可能性。这一创新研究体现了科学研究在解决实际问题中的重要作用，有望为推动多个行业的可持续发展做出积极贡献，未来值得进一步深入研究和广泛推广应用。

原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_558626.html
来源：贤集网
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