Na?SO?·10H?O水凝胶通过协同相变和蒸发冷却实现热管理

《Chemical Engineering Journal》：Na?SO?·10H?O hydrogel for thermal management via synergistic phase change and evaporative cooling

仿生出汗相变复合水凝胶通过集成Co-N/O协同结构、Na?SO?·10H?O相变材料和碳纳米管三维导热网络，实现热传导效率提升107%至0.793 W/m·K，相变焓达130 J/g·g?1，同时具备湿度响应型吸/释水能力（吸水率4.71 g/g?1，释水效率＞80%）。该材料通过相变储热-蒸发散热-环境吸湿的闭环机制，在60℃下持续降温8.6℃达140分钟，为高密度电子器件提供无源高效散热方案。

　　随着电子技术的快速发展，尤其是在人工智能、5G通信和高性能计算等领域，电子设备的性能和功率密度不断提升。这一趋势使得设备在运行过程中产生的热量也显著增加。传统的散热方式，如被动散热，已难以满足高功率密度设备的散热需求。因此，研究者们开始探索新型材料，以实现更高效的热管理。相变水凝胶作为一种具有潜力的新型材料，因其独特的热存储和蒸发冷却特性，被广泛应用于电子设备的散热领域。

相变水凝胶的核心在于其能够通过相变过程吸收和释放热量。当设备温度升高时，水凝胶中的相变材料吸收热量，实现熔化，同时释放水分用于蒸发冷却。这一过程不仅能够有效降低设备温度，还能通过水分的蒸发实现持续的热释放。然而，传统水凝胶在热管理方面存在一些局限性，如其吸湿性和蒸发速率受到环境湿度和温度的影响，导致在低湿度或高温环境下，蒸发效率下降，从而影响其热管理能力。此外，水凝胶在反复吸湿-脱水循环过程中容易发生结构退化，降低其机械强度和热交换效率。更严重的是，水凝胶的被动冷却机制无法及时响应电子设备的突发热负荷，当芯片的功率密度超过水凝胶蒸发冷却的临界阈值时，热积累效应会导致局部过热问题。

为了克服这些限制，本研究提出了一种仿生出汗的相变复合水凝胶，该材料通过相变能量存储和吸湿蒸发的协同机制，实现了高效的被动散热。该水合盐相变材料（Na?SO?·10H?O）被嵌入聚丙烯酰胺（PAM）基质中，同时引入碳纳米管（CNTs）以构建三维热传导路径。当水凝胶处于非活动状态时，Co-N/O配位结构作为吸湿位点，能够吸附周围环境中的水分，从而促进Na?SO?·10H?O的水合和再生。这一协同优化机制使得水凝胶能够在不同环境条件下保持良好的热管理性能。

该复合水凝胶的相变焓超过130 J/g，显示出较高的热存储能力。碳纳米管的加入使得其热导率提高了107%，达到0.793 W·m?1·K?1，显著增强了热传导效率。此外，Co-N/O配位结构显著提升了水凝胶的吸湿和脱湿能力，在相对湿度为95%的环境下，其吸湿率达到4.71 g/g，且最大吸湿速率为2.7 g/g·h。在相对湿度为30%的环境下，水凝胶在60°C下能够在50分钟内释放超过80%的水分，确保了其在低湿度条件下的有效蒸发冷却能力。实验结果显示，该水凝胶在实际应用中能够将加热板温度降低8.6°C，并维持低温状态长达140分钟，为高密度电子设备提供了一种高效且环保的散热解决方案。

在材料制备方面，本研究使用的原料包括钠硫酸盐十水合物（Na?SO?·10H?O）、钴硫酸盐七水合物（CoSO?·7H?O）、乙醇胺（C?H?NO）、丙烯酰胺（C?H?NO）、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（C?H??N?O?）以及过硫酸铵（(NH?)?S?O?）。所有原料均为分析纯，购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。碳纳米管（CNTs）的纯度≥99.9%，购自国药集团化学试剂有限公司。实验中使用的去离子水则为纯度较高的水，确保了材料制备过程的纯净性。

从相变和化学组成的角度来看，该复合水凝胶的结构设计具有重要意义。通过图2(a)可以观察到，制备出的复合水凝胶样品在颜色和透明度方面表现出显著差异。PAM/SSD样品呈现出白色和透明的状态，表明SSD在PAM三维网络中均匀分散，没有形成宏观聚集。其透明性进一步验证了PAM网络的紧密结构和SSD的均匀负载。而PAM/CNO样品则表现出蓝透明的特征，说明Co-N/O配位结构在PAM基质中成功构建，并且能够有效吸附水分，实现吸湿和再生的协同作用。这些材料的物理和化学特性为水凝胶的热管理功能提供了坚实的支撑。

该水凝胶的结构设计不仅考虑了材料的物理性能，还注重其在实际应用中的稳定性。在热管理过程中，水凝胶能够通过相变吸收热量，同时通过水分的蒸发实现散热。这一过程不仅依赖于水凝胶本身的吸湿能力，还受到外部环境条件的影响。为了确保水凝胶在不同湿度和温度条件下都能保持良好的热管理性能，研究者们在材料设计中引入了多种协同机制。例如，通过Co-N/O配位结构的构建，水凝胶能够在非活动状态下吸附水分，从而促进相变材料的水合和再生，实现持续的热释放。同时，碳纳米管的引入使得水凝胶具备了良好的热传导能力，确保了热量能够快速从设备核心区域传递到水凝胶材料中，从而实现有效的散热。

此外，水凝胶的结构设计还考虑了其在不同应用场景下的适应性。例如，该材料不仅适用于智能手机后盖、太阳能电池板等具有保护外壳的电子设备，还能在不干扰核心电子组件正常运行的情况下，通过被动散热降低设备的整体温度。这种结构设计的优势在于其灵活性和可定制性，使得水凝胶能够适应不同形状和复杂热管理需求的电子设备。同时，水凝胶的简单结构和稳定性也减少了其维护成本，提高了其在实际应用中的可行性。

在实验测试中，该复合水凝胶表现出优异的性能。其吸湿能力高达4.71 g/g，相变焓超过130 J/g，同时具备良好的机械性能。这些性能指标表明，该水凝胶在热管理方面具有较高的潜力。在实际应用中，该材料能够将加热板的温度降低8.6°C，并维持低温状态长达140分钟，为高密度电子设备提供了一种高效且环保的散热方案。这一结果不仅验证了材料设计的有效性，也为未来电子设备的热管理提供了新的思路。

为了进一步优化水凝胶的热管理性能，研究者们还探索了多种改进措施。例如，在材料设计中引入了离子浓度调控机制，使得水凝胶能够根据温度变化自动调节水分的吸收和释放。这种机制不仅提高了水凝胶的响应速度，还增强了其在不同环境条件下的适应性。此外，通过引入不同类型的吸湿材料，如无机盐、硅胶和金属有机框架（MOFs），研究者们能够实现更高效的水分吸附和释放，从而提高水凝胶的热管理能力。

该水凝胶的热管理机制具有重要意义。其通过相变过程吸收和释放热量，同时利用水分的蒸发实现持续的热释放。这一过程不仅依赖于水凝胶本身的吸湿能力，还受到外部环境条件的影响。为了确保水凝胶在不同湿度和温度条件下都能保持良好的热管理性能，研究者们在材料设计中引入了多种协同机制。例如，通过Co-N/O配位结构的构建，水凝胶能够在非活动状态下吸附水分，从而促进相变材料的水合和再生，实现持续的热释放。同时，碳纳米管的引入使得水凝胶具备了良好的热传导能力，确保了热量能够快速从设备核心区域传递到水凝胶材料中，从而实现有效的散热。

该水凝胶的结构设计还考虑了其在不同应用场景下的适应性。例如，该材料不仅适用于智能手机后盖、太阳能电池板等具有保护外壳的电子设备，还能在不干扰核心电子组件正常运行的情况下，通过被动散热降低设备的整体温度。这种结构设计的优势在于其灵活性和可定制性，使得水凝胶能够适应不同形状和复杂热管理需求的电子设备。同时，水凝胶的简单结构和稳定性也减少了其维护成本，提高了其在实际应用中的可行性。

在实验测试中，该复合水凝胶表现出优异的性能。其吸湿能力高达4.71 g/g，相变焓超过130 J/g，同时具备良好的机械性能。这些性能指标表明，该水凝胶在热管理方面具有较高的潜力。在实际应用中，该材料能够将加热板的温度降低8.6°C，并维持低温状态长达140分钟，为高密度电子设备提供了一种高效且环保的散热方案。这一结果不仅验证了材料设计的有效性，也为未来电子设备的热管理提供了新的思路。

此外，水凝胶的热管理机制还具有环境友好性。其在运行过程中不会产生废弃物或污染物，符合可持续发展的原则。这种环保特性使得水凝胶在电子设备散热领域具有广阔的应用前景。同时，水凝胶的噪音低，能够提供安静的工作环境，提高用户体验。这些优势使得水凝胶成为电子设备散热领域的重要研究方向。

在实际应用中，该水凝胶不仅能够有效降低设备温度，还能延长设备的使用寿命。通过减少设备的热量积累，水凝胶能够防止因过热导致的性能下降和系统不稳定。这一特性对于高密度电子设备尤为重要，因为这些设备在运行过程中会产生大量的热量，而传统的散热方式往往无法及时有效地处理这些热量。因此，该水凝胶的出现为高密度电子设备的热管理提供了一种全新的解决方案。

该水凝胶的结构设计和性能优化不仅依赖于材料本身的特性，还受到制备工艺的影响。通过优化材料的配比和结构设计，研究者们能够实现更高效的热管理性能。例如，在材料制备过程中，通过控制CoSO?·7H?O和乙醇胺的反应条件，可以构建出更稳定的Co-N/O配位结构，从而提高水凝胶的吸湿和再生能力。同时，通过调整碳纳米管的添加比例，可以优化水凝胶的热导率，使其在不同应用场景下都能保持良好的热管理性能。

该水凝胶的热管理机制还具有一定的智能化特性。通过相变过程和吸湿蒸发的协同作用，水凝胶能够根据设备的温度变化自动调节水分的吸收和释放。这种智能化特性使得水凝胶能够更好地适应电子设备的动态热需求，提高其在不同环境条件下的适用性。此外，水凝胶的结构设计还考虑了其在不同应用场景下的适应性，使其能够灵活地应用于各种电子设备。

该水凝胶的结构设计和性能优化不仅具有科学意义，还具有重要的应用价值。其通过相变过程和吸湿蒸发的协同作用，实现了高效的被动散热，为高密度电子设备提供了一种新的热管理方案。同时，该水凝胶的环境友好性和低噪音特性也使其在实际应用中具有广阔的前景。因此，该水凝胶的研究不仅为电子设备的热管理提供了新的思路，也为未来智能材料的发展提供了重要的参考。

在实际应用中，该水凝胶的性能表现也验证了其在热管理方面的潜力。其吸湿能力、相变焓和热导率等指标均优于传统水凝胶材料，显示出较高的热管理效率。此外，该水凝胶的结构设计还考虑了其在不同环境条件下的适应性，使其能够在低湿度或高温环境下保持良好的热管理性能。这些特性使得该水凝胶在电子设备散热领域具有重要的应用价值。

该水凝胶的研究不仅为电子设备的热管理提供了新的解决方案，也为未来智能材料的发展提供了重要的参考。其通过相变过程和吸湿蒸发的协同作用，实现了高效的被动散热，同时具备良好的机械性能和环境友好性。这些优势使得该水凝胶成为电子设备散热领域的重要研究方向。未来，随着电子设备功率密度的进一步提升，该水凝胶的热管理性能将更加重要，其在实际应用中的潜力也将进一步显现。