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

  熱管等熱管理元件的核心物理過程是多孔材料中的蒸發(fā)驅(qū)動流動，其在使用過程中面臨最大問題之一是工質(zhì)燒干問題。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)動力不足以提供多孔介質(zhì)內(nèi)部流動阻力。流動阻力取決于多孔介質(zhì)流通水力直徑，而驅(qū)動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)計以及空化等現(xiàn)象，通常維持在0帕以上，難以進一步突破。


  針對這一問題，武漢大學(xué)劉抗教授團隊提出以水的熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)狀態(tài)來突破蒸發(fā)流動過程的這一極限。他們設(shè)計了一種水凝膠-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)過程中將微通道里的水拉伸至小于0帕的絕對負壓狀態(tài)。圖2 展示了實驗裝置，通過控制環(huán)境濕度，他們獲得最高達-1.67MPa的負壓數(shù)值，為目前流動體系中最高值。


圖1 水凝膠微通道復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖


  同時他們研究了該裝置能夠產(chǎn)生負壓的原因，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)計時，水凝膠下方液態(tài)水極易空化，壓力不能達到負壓值。微通道的結(jié)構(gòu)也會對負壓形成造成影響，當(dāng)實驗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)分別實驗時，發(fā)現(xiàn)異性結(jié)構(gòu)的微通道產(chǎn)生負壓值很小。因此，規(guī)則的微通道結(jié)構(gòu)平穩(wěn)的流動有較好的抑制空化以及產(chǎn)生負壓的效果。 


圖2 水凝膠器件的負壓實驗


  水凝膠材料也對負壓形成較大的影響，PHEMA水凝膠效果明顯好于PAAM和PAAM-HEA水凝膠。為了解釋其原因，作者進行了DFT計算和分子動力學(xué)模擬。發(fā)現(xiàn)水凝膠中極性官能團與水的相互作用要強于水中的氫鍵，同時致密的水凝膠網(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相互作用。另外，隨著蒸發(fā)的進行，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負值。因此具有一定剛性的水凝膠材料更容易在蒸發(fā)流動體系中產(chǎn)生負壓。 


圖3 負壓產(chǎn)生微觀機制


  液相負壓力為微流體體系帶來的機會在于可以為流體提供巨大的被動驅(qū)動力。為展現(xiàn)該負壓應(yīng)用的潛力，作者制作了負壓驅(qū)動的蒸發(fā)發(fā)電器件。由于蒸發(fā)發(fā)電過程的本質(zhì)是環(huán)境熱能先轉(zhuǎn)化為流體機械能再轉(zhuǎn)化為電能，因此界面驅(qū)動力大小決定了流動機械能的大小，利用負壓狀態(tài)可提高微通道內(nèi)的流動機械能，繼而提高輸出電能。如圖4a所示，在蒸發(fā)產(chǎn)生的負壓作用下，作者設(shè)計的單通道蒸發(fā)驅(qū)動動電發(fā)電器件最高輸出電壓可達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


  利用負壓狀態(tài)，作者提出負壓熱管概念，即讓熱管內(nèi)多孔介質(zhì)內(nèi)部液態(tài)水處于負壓狀態(tài)，從而提升熱管的極限熱流密度和傳輸長度。如圖5所示的可視化熱管結(jié)構(gòu)中，單根一米長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)，而不會燒干或空化。計算通道內(nèi)負壓值達到-0.99 MPa， 以單通道橫截面積算，流通熱流密度達到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級博士生劉禹希，2022級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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