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武漢大學(xué)劉抗課題組《Nano Lett.》：液相絕對(duì)負(fù)壓助力高效散熱和低品位熱能轉(zhuǎn)換
2023-07-28  來(lái)源：高分子科技

  熱管等熱管理元件的核心物理過(guò)程是多孔材料中的蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)流動(dòng)，其在使用過(guò)程中面臨最大問(wèn)題之一是工質(zhì)燒干問(wèn)題。工質(zhì)燒干限制了熱管等散熱元件的理論最高散熱功率和極限傳熱長(zhǎng)度。熱管燒干的本質(zhì)是多孔介質(zhì)蒸發(fā)界面上的驅(qū)動(dòng)力不足以提供多孔介質(zhì)內(nèi)部流動(dòng)阻力。流動(dòng)阻力取決于多孔介質(zhì)流通水力直徑，而驅(qū)動(dòng)力大小取決于多孔介質(zhì)蒸發(fā)界面的液相壓降，界面液相壓力受限于材料設(shè)計(jì)以及空化等現(xiàn)象，通常維持在0帕以上，難以進(jìn)一步突破。


  針對(duì)這一問(wèn)題，武漢大學(xué)劉抗教授團(tuán)隊(duì)提出以水的熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)狀態(tài)來(lái)突破蒸發(fā)流動(dòng)過(guò)程的這一極限。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種水凝膠-微通道復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖1所示。水凝膠作為氣液界面，在蒸發(fā)過(guò)程中將微通道里的水拉伸至小于0帕的絕對(duì)負(fù)壓狀態(tài)。圖2 展示了實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)控制環(huán)境濕度，他們獲得最高達(dá)-1.67MPa的負(fù)壓數(shù)值，為目前流動(dòng)體系中最高值。


圖1 水凝膠微通道復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖


  同時(shí)他們研究了該裝置能夠產(chǎn)生負(fù)壓的原因，發(fā)現(xiàn)微通道抑制空化的作用至關(guān)重要。當(dāng)不采用微通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，水凝膠下方液態(tài)水極易空化，壓力不能達(dá)到負(fù)壓值。微通道的結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)負(fù)壓形成造成影響，當(dāng)實(shí)驗(yàn)中采用平滑玻璃微通道，粗糙微通道以及具有異性形狀的通道結(jié)構(gòu)分別實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)異性結(jié)構(gòu)的微通道產(chǎn)生負(fù)壓值很小。因此，規(guī)則的微通道結(jié)構(gòu)平穩(wěn)的流動(dòng)有較好的抑制空化以及產(chǎn)生負(fù)壓的效果。 


圖2 水凝膠器件的負(fù)壓實(shí)驗(yàn)


  水凝膠材料也對(duì)負(fù)壓形成較大的影響，PHEMA水凝膠效果明顯好于PAAM和PAAM-HEA水凝膠。為了解釋其原因，作者進(jìn)行了DFT計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)模擬。發(fā)現(xiàn)水凝膠中極性官能團(tuán)與水的相互作用要強(qiáng)于水中的氫鍵，同時(shí)致密的水凝膠網(wǎng)絡(luò)使得結(jié)合水占據(jù)主導(dǎo)地位，這意味著水凝膠中的大部分水分子直接和水凝膠強(qiáng)相互作用。另外，隨著蒸發(fā)的進(jìn)行，水凝膠網(wǎng)絡(luò)體積收縮量明顯小于水分子蒸發(fā)體積，也就是說(shuō)水凝膠網(wǎng)絡(luò)框架的固有剛性導(dǎo)致水凝膠中的水逐漸被拉伸，拉伸狀態(tài)下水的壓力降至負(fù)壓力。這種拉伸力傳遞到微通道中，最終使得微通道中的水壓降低到絕對(duì)負(fù)值。因此具有一定剛性的水凝膠材料更容易在蒸發(fā)流動(dòng)體系中產(chǎn)生負(fù)壓。 


圖3 負(fù)壓產(chǎn)生微觀機(jī)制


  液相負(fù)壓力為微流體體系帶來(lái)的機(jī)會(huì)在于可以為流體提供巨大的被動(dòng)驅(qū)動(dòng)力。為展現(xiàn)該負(fù)壓應(yīng)用的潛力，作者制作了負(fù)壓驅(qū)動(dòng)的蒸發(fā)發(fā)電器件。由于蒸發(fā)發(fā)電過(guò)程的本質(zhì)是環(huán)境熱能先轉(zhuǎn)化為流體機(jī)械能再轉(zhuǎn)化為電能，因此界面驅(qū)動(dòng)力大小決定了流動(dòng)機(jī)械能的大小，利用負(fù)壓狀態(tài)可提高微通道內(nèi)的流動(dòng)機(jī)械能，繼而提高輸出電能。如圖4a所示，在蒸發(fā)產(chǎn)生的負(fù)壓作用下，作者設(shè)計(jì)的單通道蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)動(dòng)電發(fā)電器件最高輸出電壓可達(dá)1V。其輸出功率和復(fù)雜碳材料結(jié)構(gòu)最高蒸發(fā)發(fā)電功率處于相當(dāng)水平，證明了負(fù)壓體系用于提高低品位熱能回收利用的可能性。 


圖4. 水凝膠器件蒸發(fā)發(fā)電性能


  利用負(fù)壓狀態(tài)，作者提出負(fù)壓熱管概念，即讓熱管內(nèi)多孔介質(zhì)內(nèi)部液態(tài)水處于負(fù)壓狀態(tài)，從而提升熱管的極限熱流密度和傳輸長(zhǎng)度。如圖5所示的可視化熱管結(jié)構(gòu)中，單根一米長(zhǎng)微米尺寸微通道可支撐熱管上表面持續(xù)不斷地加熱蒸發(fā)，而不會(huì)燒干或空化。計(jì)算通道內(nèi)負(fù)壓值達(dá)到-0.99 MPa， 以單通道橫截面積算，流通熱流密度達(dá)到9.6 kW/cm2，展現(xiàn)了這一思路在高熱散熱上的應(yīng)用前景。 


圖5 水凝膠負(fù)壓熱管


  以上相關(guān)研究成果于Nano Letters發(fā)表。論文題目：Negative Pressure in Water for Efficient Heat Utilization and Transfer。武漢大學(xué)2020級(jí)博士生劉禹希，2022級(jí)博士生庾澤華為論文共同第一作者，武漢大學(xué)劉抗和楊培華為共同通訊作者，武漢大學(xué)為論文唯一署名單位。


  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.3c01855

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