液體噴霧冷卻廣泛應(yīng)用于電力電子設(shè)備的熱管理。直接噴水雖然簡單，但不可避免地導(dǎo)致大量水浪費(fèi)。用水凝膠涂層保水可以減少水的消耗，但現(xiàn)有的非多孔涂層由于水再吸收緩慢而存在局限性。浙江大學(xué)化工學(xué)院的趙騫教授團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)了一種噴涂方法，可以原位快速形成多孔水凝膠涂層，可快速吸收并固定用于蒸發(fā)降溫的水，從而提高熱管理效率。相關(guān)成果“Sprayable porous hydrogel coating for efficient and sustainable evaporative cooling”2024年9月23日發(fā)表在Matter上。論文通訊作者為倪楚君研究員與趙騫教授，第一作者為博士生李燁。
電子設(shè)備過熱后效率顯著降低，壽命縮短，甚至永久性損壞。工業(yè)界采用包括輻射制冷、熱管冷卻和液體噴霧冷卻在內(nèi)的多種冷卻方法。其中，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)被廣泛用于工業(yè)設(shè)備降溫。水作為冷卻液具有低成本、無污染和高蒸發(fā)焓等優(yōu)勢。然而，直接噴灑水在開放系統(tǒng)中會導(dǎo)致大量消耗，重新收集冷卻水在經(jīng)濟(jì)上往往不切實(shí)際。因此，平衡有效熱管理與資源節(jié)約的可持續(xù)解決方案至關(guān)重要。
水凝膠是能夠儲存大量水，水分蒸發(fā)后續(xù)吸水再生以重復(fù)降溫工作。但普通無孔水凝膠吸水再生較慢，通常需數(shù)小時(shí)。多孔水凝膠可顯著提高吸水再生速度，但現(xiàn)有凍干、發(fā)泡、犧牲模板等多孔水凝膠制備方法難以與現(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）匹配，如何在不規(guī)則設(shè)備表面原位大面積涂裝多孔水凝膠存在挑戰(zhàn)。
圖1：多孔水凝膠的合成過程及機(jī)理
圖2：多孔水凝膠的力學(xué)性能
圖3：多孔水凝膠的孔結(jié)構(gòu)
之后，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。涂層的厚度可由電壓與氣流速度等條件進(jìn)行控制。多孔涂層具有機(jī)械穩(wěn)定性與較強(qiáng)的附著力，可穩(wěn)定涂裝在木材、金屬、玻璃、塑料等不同材料表面，且任意復(fù)雜形狀的表面均能被均勻涂裝（圖4）。研究進(jìn)一步在太陽能發(fā)電板等功率電子器件上形成多孔水凝膠涂層。這種涂層可快速且可重復(fù)的吸收噴淋水，并長效保持，從而利用更少的冷卻水實(shí)現(xiàn)更高效并持久的降溫效果以提高電子設(shè)備的工作效率（圖5）。
圖4：粉末噴涂過程和涂層粘附性
圖5：多孔水凝膠涂層的降溫效果
這種簡單高效的方法多孔涂層制備原理可以擴(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。除熱管理之外，這種獨(dú)特的水凝膠涂裝方法有望在農(nóng)業(yè)、環(huán)境、以及生物醫(yī)學(xué)等與水相關(guān)的場景中得以利用。
原文鏈接：https://www.cell.com/matter/abstract/S2590-2385(24)00448-X
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