武汉大学刘抗课题组《Nano Lett.》：液相绝对负压助力高效散热和低品位热能转换

2023-07-28 来源：高分子科技

热管等热管理元件的核心物理过程是多孔材料中的蒸发驱动流动，其在使用过程中面临最大问题之一是工质烧干问题。工质烧干限制了热管等散热元件的理论最高散热功率和极限传热长度。热管烧干的本质是多孔介质蒸发界面上的驱动力不足以提供多孔介质内部流动阻力。流动阻力取决于多孔介质流通水力直径，而驱动力大小取决于多孔介质蒸发界面的液相压降，界面液相压力受限于材料设计以及空化等现象，通常维持在0帕以上，难以进一步突破。

针对这一问题，武汉大学刘抗教授团队提出以水的热力学亚稳态状态来突破蒸发流动过程的这一极限。他们设计了一种水凝胶-微通道复合结构，如图1所示。水凝胶作为气液界面，在蒸发过程中将微通道里的水拉伸至小于0帕的绝对负压状态。图2 展示了实验装置，通过控制环境湿度，他们获得最高达-1.67MPa的负压数值，为目前流动体系中最高值。

图1 水凝胶微通道复合结构示意图

同时他们研究了该装置能够产生负压的原因，发现微通道抑制空化的作用至关重要。当不采用微通道结构设计时，水凝胶下方液态水极易空化，压力不能达到负压值。微通道的结构也会对负压形成造成影响，当实验中采用平滑玻璃微通道，粗糙微通道以及具有异性形状的通道结构分别实验时，发现异性结构的微通道产生负压值很小。因此，规则的微通道结构平稳的流动有较好的抑制空化以及产生负压的效果。

图2 水凝胶器件的负压实验

水凝胶材料也对负压形成较大的影响，PHEMA水凝胶效果明显好于PAAM和PAAM-HEA水凝胶。为了解释其原因，作者进行了DFT计算和分子动力学模拟。发现水凝胶中极性官能团与水的相互作用要强于水中的氢键，同时致密的水凝胶网络使得结合水占据主导地位，这意味着水凝胶中的大部分水分子直接和水凝胶强相互作用。另外，随着蒸发的进行，水凝胶网络体积收缩量明显小于水分子蒸发体积，也就是说水凝胶网络框架的固有刚性导致水凝胶中的水逐渐被拉伸，拉伸状态下水的压力降至负压力。这种拉伸力传递到微通道中，最终使得微通道中的水压降低到绝对负值。因此具有一定刚性的水凝胶材料更容易在蒸发流动体系中产生负压。

图3 负压产生微观机制

液相负压力为微流体体系带来的机会在于可以为流体提供巨大的被动驱动力。为展现该负压应用的潜力，作者制作了负压驱动的蒸发发电器件。由于蒸发发电过程的本质是环境热能先转化为流体机械能再转化为电能，因此界面驱动力大小决定了流动机械能的大小，利用负压状态可提高微通道内的流动机械能，继而提高输出电能。如图4a所示，在蒸发产生的负压作用下，作者设计的单通道蒸发驱动动电发电器件最高输出电压可达1V。其输出功率和复杂碳材料结构最高蒸发发电功率处于相当水平，证明了负压体系用于提高低品位热能回收利用的可能性。

图4. 水凝胶器件蒸发发电性能

利用负压状态，作者提出负压热管概念，即让热管内多孔介质内部液态水处于负压状态，从而提升热管的极限热流密度和传输长度。如图5所示的可视化热管结构中，单根一米长微米尺寸微通道可支撑热管上表面持续不断地加热蒸发，而不会烧干或空化。计算通道内负压值达到-0.99 MPa，以单通道横截面积算，流通热流密度达到9.6 kW/cm²，展现了这一思路在高热散热上的应用前景。

图5 水凝胶负压热管

以上相关研究成果于Nano Letters发表。论文题目：Negative Pressure in Water for Efficient Heat Utilization and Transfer。武汉大学2020级博士生刘禹希，2022级博士生庾泽华为论文共同第一作者，武汉大学刘抗和杨培华为共同通讯作者，武汉大学为论文唯一署名单位。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.3c01855

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（责任编辑：xu）

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