一种具有同步蒸发散热和余热回收能力的复合水凝胶、制备方法及热管理方法技术

本发明专利技术公开一种具有同步蒸发散热和余热回收能力的复合水凝胶、制备方法及热管理方法，该水凝胶为具交联结构水凝胶与吸湿盐和化学热电溶液组成。首先制备具交联结构水凝胶；然后将具交联结构水凝胶加热烘干，之后将干燥后的水凝胶浸泡于由吸湿性盐和化学热电材料形成的溶液中，直至水凝胶完全溶胀后，取出即为具有同步蒸发散热和余热回收能力的复合水凝胶。该水凝胶在高温下水分蒸发能够带走大量热量，同时将一部分的热量通过化学热电转换的方式转换为电能输出；在低温下能够吸收空气中的水分进行自动补水。本发明专利技术具有结构简单、性能优异、方便智能的特点，能够为发热对象同步去除废热和余热回收，解决高热及低品位热能有浪费的问题。

Composite hydrogel with synchronous evaporation heat dissipation and residual heat recovery capacity, preparation method and thermal management method

【技术实现步骤摘要】
一种具有同步蒸发散热和余热回收能力的复合水凝胶、制备方法及热管理方法
本专利技术属于散热和余热回收领域，涉及一种同步散热和余热回收技术，尤其涉及一种具有同步蒸发散热和余热回收能力的复合水凝胶、制备方法及热管理方法。
技术介绍
现代电子器件的微型化和集成化使得电子器件在工作时能量密度巨大，而大部分的能量最终转化为了热能，使器件面临温度过高的问题。而不良的温度不仅影响器件工作的稳定性，甚至还会带来安全性和使用寿命的问题。因此，解决器件的高温问题对提高器件的能源效率、促进经济繁荣、能源安全和环境保护至关重要。此外，电子器件工作时产生的废热一般属于低品位余热，在全球环境污染、能源短缺和能源利用率低的背景下，对低品位余热的再利用对节能减排的战略起到重要作用。现代电子器件对高效散热和废热回收的要求都很高，因为这两部分关系着器件的可靠性和能源效率。现有的散热方式主要有两种：被动式散热和主动式散热。现代电子器件的能量密度极高，普通的被动式方法的低散热能力很难满足高能量密度器件的要求。强迫风冷、水冷等主动冷却方法虽然有较高的冷却性能，但能耗高，需要复杂的辅助配件(如风机、水泵等)。传统的热回收方法，如热电模块，直接与热源接触，通常会带来额外的热阻，阻碍散热，并导致这些电子设备的核心组件高温。然而，有效的散热通常是耗能的，因为需要风扇或泵等辅助设备，这与提高器件的能源效率的初衷不符。因此，到目前为止，高效除热和废热回收是两个相互冲突的过程，不能同时实现。并且，有效的散热和余热回收方式也必须顺应现代电子器件的发展方向。r>水凝胶作为一类含水量极高(可以超过90％)的材料，能保持其三维网络结构而呈现固态。水凝胶内部的水分可以自由蒸发，当物体表面温度升高时，水凝胶可以大幅降低物体的表面温度，是一种优异的被动式散热材料。此外，水凝胶中的液态水也使得离子扩散和传输等行为不受影响。但是，一般的水凝胶会持续失水，即使在室温下水凝胶中的水分也会逐渐减少直至完全干燥，不具环境稳定性。并且，普通水凝胶的失水不可自动逆转，必须将其浸泡于液态水中才能恢复原状，继而正常工作。这些缺陷使得水凝胶的应用具有局限性，频繁的手动补水还会影响水凝胶结构和性能的稳定性和有效性。所以，寻求一种智能、简单、高效的散热和余热回收方式至关重要。
技术实现思路
为了解决各类热源的高热和废热浪费问题，针对现阶段的水凝胶不具环境稳定性和无法实现自动补水的问题，本专利技术提供了一种可实现同步散热和余热回收并可自动补水的复合水凝胶，可应用于热管理和余热再利用领域。具有智能方便、可重复工作、体积可调、零噪音、低造价以及应用范围广的特点。可适用于多种热源物体表面，如：电子设备、房屋、汽车等。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种具有同步蒸发散热和余热回收能力的复合水凝胶，其特征在于：其为具三维交联结构的水凝胶、一定浓度吸湿盐和化学热电材料混合溶液组成的复合水凝胶。并且，该水凝胶能够兼具散热、余热回收和自动再生的能力。优选地，所述具三维交联结构的水凝胶为聚丙烯酰胺水凝胶、聚丙烯酸钠水凝胶、海藻酸钠水凝胶和聚乙烯醇水凝胶中的任意一种或几种组合。一种具有同步蒸发散热和余热回收能力水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、制备三维交联结构的水凝胶；步骤2、将步骤1制备的水凝胶加热烘干，直至完全干燥；步骤3、将干燥后的聚丙烯酰胺水凝胶浸泡于吸湿性盐和化学热电材料组成的混合溶液中；步骤4、直至水凝胶完全溶胀后，取出，即为具有同步蒸发散热和余热回收能力的复合水凝胶。作为改进，所述吸湿性盐为溴化锂、氯化锂或氯化钙盐，吸湿性盐的摩尔浓度0-17.3mol/L。作为改进，所述化学热电材料为铁氰化钾/亚铁氰化钾或铁氰化钾/亚铁氰化铵，化学热电材料的摩尔浓度0-0.4mol/L。一种利用上述具有同步蒸发散热和余热回收能力的复合水凝胶的热管理-余热回收方法，其特征在于：将具有同步蒸发散热和余热回收能力的复合水凝胶置于热源表面，当热源表面温度升高时，水凝胶内部的水分开始蒸发，大幅降低发热体的表面温度，同时通过化学热电转换将一部分热量转换为电能输出；当热源表面温度降低后，具有同步蒸发散热和余热回收能力的复合水凝胶自发吸收周围空气中的水分，使得具有同步蒸发散热和余热回收能力的复合水凝胶再次溶胀。如此循环工作，完成热源表面温度控制和余热再利用。作为改进，所述热源为太阳能电池、房屋、汽车、芯片、电池以及集成电路。本专利技术有益效果是：综上所述，本专利技术中的具有同步蒸发散热和余热回收能力的复合水凝胶兼具蒸发散热、余热回收和自动再生的功能。该水凝胶的温度控制方式属于被动式散热方式，结构简单，但散热能力优异，能够智能地为各种需要进行温度管理的对象(电子设备、房屋、汽车等)进行有效散热。本专利技术中的热电转换方式属于化学热电转换方式，热电化学材料中氧化还原对在溶液中的迁移和电子转移过程中的熵变是能量转换的根本原因。本专利技术中的自动再生功能由吸湿盐进行调控，吸湿盐能够显著降低水凝胶的蒸气压，通过调节吸湿盐的浓度可控制水凝胶蒸发-再生的速率。该具有同步蒸发散热和余热回收能力水凝胶由具三维交联结构水凝胶与吸湿性盐和热电化学材料溶液复合而成。工作模式为：在高温下，水凝胶中的水分蒸发能够带走大量热量，控制热源的温度，并同步实现热电转换将多余的热能转换为电能输出；在低温下，水凝胶能够自动吸收空气中的水分进行自动补水，恢复溶胀状态。该水凝胶能够重复使用，具有自动循环能力。此装置工作无需外部动力，并且具有无噪音、体积小、造价低，方便智能、体积可调、零噪音、应用范围广的特点。附图说明图1为实施例1所用具有同步蒸发散热和余热回收能力的复合水凝胶为芯片工作时循环蒸发-吸湿过程示意图，E表示蒸发，R表示吸水。图2为实施例1所用具有同步蒸发散热和余热回收能力的复合水凝胶为芯片工作时的散热性能示意图；图3为实施例1所用具有同步蒸发散热和余热回收能力的复合水凝胶为芯片工作时的余热回收性能示意图。图4为实施例2所用具有同步蒸发散热和余热回收能力的复合水凝胶为手机锂离子电池工作时的散热性能示意图；图5为实施例2所用具有同步蒸发散热和余热回收能力的复合水凝胶为手机锂离子电池工作时的余热回收能力(I-V曲线)。图6为实施例2所用具有同步蒸发散热和余热回收能力的复合水凝胶为手机锂离子电池工作时自动补水所需时间。图7为实施例3所用具有同步蒸发散热和余热回收能力的复合水凝胶为钙钛矿太阳能电池板工作时的散热性能示意图；图8为实施例3所用具有同步蒸发散热和余热回收能力的复合水凝胶为钙钛矿太阳能电池板工作时的余热回收能力(I-V曲线)。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不能用来限制本专利技术的范围，本专利技术实施例以聚丙烯酰胺水凝胶为例进行说明，其它水凝胶也适用。本专利技术提供了一种用于热源表面热管理本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有同步蒸发散热和余热回收能力的复合水凝胶，其特征在于：其为具三维交联结构的水凝胶、一定浓度吸湿盐和化学热电材料混合溶液组成的复合水凝胶。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有同步蒸发散热和余热回收能力的复合水凝胶，其特征在于：其为具三维交联结构的水凝胶、一定浓度吸湿盐和化学热电材料混合溶液组成的复合水凝胶。


2.如权利要求1所述的复合水凝胶，其特征在于：所述具三维交联结构的水凝胶为聚丙烯酰胺水凝胶、聚丙烯酸钠水凝胶、海藻酸钠水凝胶和聚乙烯醇水凝胶中的任意一种或几种组合。


3.如权利要求1所述的复合水凝胶，其特征在于：所述吸湿性盐为溴化锂、氯化锂或氯化钙盐，吸湿性盐的摩尔浓度0-17.3mol/L。


4.如权利要求1所述的复合水凝胶，其特征在于：所述化学热电材料为铁氰化钾/亚铁氰化钾或铁氰化钾/亚铁氰化铵，化学热电材料的摩尔浓度0-0.4mol/L。


5.一种具有同步蒸发散热和余热回收能力的复合水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、制备三维交联结构的水凝胶；
步骤2、将步骤1制备的水凝胶加热烘干，直至完全干燥；
步骤3、将干燥后的水凝胶浸泡于吸湿性盐和化学热电材料组成的混合溶液中；
步骤4、直至水凝胶完全溶胀后，取出，即为具有同步蒸发散热和余热回收能力的复合水凝胶。


6.如权利要求5所述的具有同步蒸发散热和余热回收能力的复合水凝胶制备方法，其特征在于：所述吸湿性盐为溴化锂、氯化锂或氯化钙盐，吸湿性盐的摩尔浓度0-...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘抗，胡雪蛟，蒲诗睿，廖雨田，傅佳，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42