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浙江理工大学孟垂舟&河北工业大学禹伟Carbon Energy：复合凝胶泡沫被动式吸湿冷却实现高功率电子器件高效热管理

已有 529 次阅读 2026-9-14 09:20 |系统分类:论文交流

研究背景

电子设备越来越向着小型化、高集成化发展，高功率密度带来的散热挑战已成为制约器件性能、可靠性与寿命的核心瓶颈。现有热管理方案中，主动冷却（风扇、泵等）方案依赖外部能源输入，固液相变材料受限于有限熔化焓与低导热率，散热片仅靠显热传递与自然对流效率不足。近些年，水凝胶材料利用液-气相变过程中极大的蒸发能而实现被动式高效散热，成为研究热点。但是，常规水凝胶材料被加热后易因失水变形，难以维持长期稳定运行。因此，开发低成本、形状稳定且兼具高吸湿与导热能力的新型水凝胶基热管理材料，便具有重要的研究意义。

成果介绍

近日，浙江理工大学孟垂舟联合河北工业大学禹伟等学者，在Carbon Energy发表题为“Passive Moisture-Driven Cooling via Low-Cost and Shape-Stabilized Hygroscopic Composite Foam for High-Power Electronics”的研究论文。该工作研发出一种低成本且形状稳定的吸湿复合泡沫，通过超声辅助水解制备出羟基化氮化硼（BN）纳米片，将其与含溴化锂（LiBr）的聚乙烯醇（PVA）溶液复合负载于三聚氰胺泡沫骨架结构，构建出多孔骨架-高导热凝胶-强吸湿盐的协同体系。该材料利用吸湿-蒸发循环过程中释放水的汽化潜热，实现被动式冷却效果，同时解决传统水凝胶结构稳定性差的难题，为高功率电子器件提供持久的被动式热管理方案。

研究亮点

材料设计与结构优化：多组分配伍实现性能平衡。如图1所示，以三聚氰胺泡沫为多孔骨架，保证高吸湿容量与无泄漏储水能力；通过超声辅助水解BN 引入羟基（-OH），与PVA形成氢键增强凝胶内导热通路，14.3wt%的BN最佳添加使导热率显著提升（未加BN时仅0.03 W·m^-1·K^-1）；引入LiBr 作为吸湿剂（PVA:BN:LiBr最优比例2:1:4），精确调控吸湿行为，过少则吸湿不足，过多则引发渗水。

图文解析

图1：被动式吸湿制冷复合凝胶泡沫的设计与制备

多场景高效冷却：覆盖芯片、电池、光伏三大应用。模拟芯片：如图2所示，在12min加热-30min冷却的间歇循环中，芯片平衡温度从裸铜的92.5°C降至63.4°C，稳定温差达37°C；锂离子电池：如图3所示，8C超高倍率放电时，2Ah电池峰值温度从裸电池的79.3°C降至53.1°C，温差达26.2°C，25Ah大容量电池2C放电温差仍达12.27°C；光伏面板：如图4所示，1000 W·m^-2光照下，面板温度从70°C降至55°C，温差达15°C，光电转换效率从13%提升至13.5%。

图2：被动式吸湿制冷复合凝胶泡沫的吸湿-解潮热管理性能（模拟芯片测试）

图3：被动式吸湿制冷复合凝胶泡沫的电池冷却性能

图4：被动式吸湿制冷复合凝胶泡沫的光伏板冷却性能

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

Passive Moisture-Driven Cooling via Low-Cost and Shape-Stabilized Hygroscopic Composite Foam for High-Power Electronics

文章研究方向：

热管理材料— —相变材料

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70222

DOI: 10.1002/cey2.70222

关于“Carbon Energy”

Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。期刊创刊主编为温州大学副校长王舜教授。

Carbon Energy 2018年创刊，2019年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，2020年获批国内统一连续出版物号，连续五年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告，连续四年入选“中国最具国际影响力学术期刊”和中国科学院材料科学1区Top期刊，连续两年入选“北京国际图书博览会中国精品期刊展”，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD、OAJ、中国科技核心期刊目录等收录，2024年入选中国高校科技期刊建设示范案例库杰出科技期刊入库案例和中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊项目。2024年影响因子为24.2，在能源与燃料、纳米科技、物理化学三大领域位列全球期刊前八，材料科学（多学科）领域460本期刊中，位列14。在此基础上，孵化《碳中和（英文）》和《碳创新（英文）》子刊。