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浙大團隊創新多孔水凝膠涂層，破解電力電子設備液體噴霧冷卻難題

文章來源：賢集網更新時間：2024-09-27 15:38:33

在當今科技飛速發展的時代，電力電子設備的性能和穩定性對于各個領域的發展至關重要。然而，電子設備在運行過程中會產生大量熱量，過熱問題嚴重影響其效率、壽命甚至可能導致永久性損壞。為解決這一問題，液體噴霧冷卻技術應運而生，但該技術在水的利用效率方面存在挑戰。浙江大學化工學院趙騫教授團隊的研究成果為這一問題提供了創新性的解決方案，具有重要的科學意義和應用價值。

一、液體噴霧冷卻技術現狀及問題

廣泛應用與優勢

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，廣泛應用于電力電子設備的熱管理。在工業界，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設備降溫保駕護航。水作為冷卻液在液體噴霧冷卻中具有突出優勢，其成本低、無污染且具有高蒸發焓，能夠有效地吸收設備產生的熱量并通過蒸發帶走熱量，實現降溫目的。

水浪費問題及現有解決方案的局限性

直接噴水進行冷卻雖然簡單直接，但在開放系統中會不可避免地導致大量水浪費。為減少水的消耗，采用水凝膠涂層保水是一種思路，但現有的非多孔水凝膠涂層存在水再吸收緩慢的問題，限制了其在實際應用中的效果。

多孔水凝膠雖能顯著提高吸水再生速度，然而現有的多孔水凝膠制備方法如凍干、發泡、犧牲模板等難以與現有的水凝膠涂裝技術（如表面橋接、表面聚合、浸涂和噴涂等）相匹配，使得在不規則設備表面原位大面積涂裝多孔水凝膠成為一項挑戰。

二、浙大團隊的創新方法及原理

噴涂方法的步驟與原理：

團隊提出的創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 的水溶解會導致氫鍵網絡的瞬時形成，這一過程能夠固定初始顆粒間的孔隙。接著，PVA 與 GA 之間的后續化學交聯反應不僅永久穩定了孔隙，還增強了涂層的機械性能。

多孔結構形成機理的關鍵因素：

TA 含量的影響：當 TA 含量不足時，初始顆粒間的孔隙難以固定，PVA 完全溶解后才發生交聯反應，這樣就難以有效形成多孔結構。

GA 濃度的影響：當 GA 濃度低時，后交聯不完全，動態的 PVA/TA 氫鍵網絡受水分子擴散的影響，將逐漸由多孔結構轉變為無孔結構。

由此證明，這種兩步交聯與顆粒溶解的動力學調控是形成孔結構的關鍵。通過精確控制 TA 含量和 GA 濃度，以及交聯反應的過程，可以實現理想的多孔結構，為快速吸收和固定水分提供基礎。

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現了多孔水凝膠涂層的大面積制備。通過調節電壓與氣流速度等條件，可以精確控制涂層的厚度，滿足不同設備和應用場景的需求。

機械穩定性與附著力：多孔涂層具有機械穩定性與較強的附著力，能夠穩定涂裝在木材、金屬、玻璃、塑料等不同材料表面，無論是平面還是任意復雜形狀的表面，都能被均勻涂裝。這一特性使得該涂層在實際應用中具有廣泛的適用性，能夠滿足各種電力電子設備以及其他不同材質設備的熱管理需求。

高效吸水與長效保持：在太陽能發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現更高效并持久的降溫效果，從而提高電子設備的工作效率，延長其使用壽命，降低維護成本。

四、創新成果的應用前景及拓展

該研究成果為電力電子設備的熱管理提供了一種高效、可持續的解決方案。通過提高水的利用效率，減少了水資源的浪費，同時實現了更有效的降溫，有助于提高電子設備的性能和穩定性，延長其使用壽命。這對于電子信息產業、電力能源產業等眾多領域的發展具有重要意義，有望推動相關產業的技術升級和可持續發展。

這種簡單高效的多孔涂層制備原理具有廣闊的拓展空間，可以擴展至其他聚合物體系，以提高其他冷卻介質的使用效率。除了熱管理領域，在農業方面，可應用于農作物的灌溉和保濕，提高水資源的利用效率，促進農業生產的可持續發展；在環境領域，可能用于水資源的凈化和循環利用，以及環境監測設備的熱管理等；在生物醫學領域，有望應用于生物傳感器的溫度控制、藥物輸送系統的優化等與水相關的場景，為這些領域的發展提供新的技術支持和思路。

結論

浙江大學化工學院趙騫教授團隊的研究成果在液體噴霧冷卻技術領域取得了重要突破。通過創新的噴涂方法和對多孔結構形成機理的深入研究，成功實現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備熱管理方面具有顯著的應用前景，還為其他領域的發展提供了新的可能性。這一創新研究體現了科學研究在解決實際問題中的重要作用，有望為推動多個行業的可持續發展做出積極貢獻，未來值得進一步深入研究和廣泛推廣應用。

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