一种高定向石墨烯膜复合水凝胶散热装置及其制作方法

本发明涉及散热装置，尤其是涉及一种高定向石墨烯膜复合水凝胶散热装置及其制作方法。

背景技术：

1、光伏组件在工作过程中，约75%以上的入射太阳能转化为热量，导致组件温度显著升高，从而降低光电转换效率并加速材料老化。现有冷却技术分为主动冷却（强制水冷、风冷）和被动冷却（热管、相变材料、散热器、水凝胶等）。

2、但目前存在以下缺陷：（1）主动冷却虽然降温效果显著，但需消耗额外电能，增加系统复杂性和成本；（2）热管虽然导热效率极高，但本身不具备向环境散热的能力，需配合其他散热结构；（3）相变材料（如石蜡、盐水合物）虽然可利用固液相变吸热，但相变焓值偏低（50~250 j/g），在持续高热通量下散热能力受限；（4）金属散热器（如铜、铝）虽然导热优良，但显热容低，在持续热流下温度易快速上升；（5）传统水凝胶虽然具有高含水量和蒸发潜热（约2450 j/g），但热导率较低（介于聚合物0.2 w/(m·k)和水0.61 w/(m·k)之间），热响应慢；（6）石墨烯虽可提升热导率，但传统随机分散方式导致石墨烯片层无序分布，界面热阻高，未能形成定向导热通路。

3、公开号cn 118995152 a提供了一种自吸湿水凝胶石墨烯复合散热膜及其制备方法和应用，将水凝胶制备原料水溶液涂覆在石墨烯膜表面，进行交联反应，在所述石墨烯膜表面形成水凝胶膜，得到水凝胶石墨烯复合膜，这种结构的水凝胶石墨烯复合膜，水凝胶膜与石墨烯膜两者的接触界面存在热阻，空气夹层进一步阻断热量传递，使散热性能下降，而且，水凝胶长期蒸发失水、吸水溶胀反复循环时，表层石墨烯膜易翘边、剥离、开裂，界面出现空气间隙，大幅削弱导热、导湿通路。

4、综上，现有技术缺乏一种兼具结构稳定、高热导率、高蒸发冷却能力、且无需外部能源输入的被动冷却方案。

技术实现思路

1、针对现有技术中，缺乏一种兼具结构稳定、高热导率、高蒸发冷却能力、且无需外部能源输入的被动冷却方案，本发明提供一种高定向石墨烯膜复合水凝胶散热装置及其制作方法，将石墨烯膜包裹于水凝胶内部，两相分子级紧密贴合，无额外接触热阻，热量可在水凝胶-石墨烯连续网络中快速传导，整体热导率提升；石墨烯膜包覆内嵌于水凝胶基体内部，石墨烯与水凝胶高分子链充分穿插缠结，整体为一体化复合结构，溶胀/收缩循环下不会出现界面剥离，长效结构稳定。而且石墨烯膜易碎，断裂，柔韧性差，水凝胶基体包裹石墨烯起到缓冲防护作用，改善复合膜柔韧性，避免外力弯折造成石墨烯片层断裂，同时隔绝空气、粉尘，抑制石墨烯氧化失效，提升材料长期服役稳定性。

2、为解决上述问题，本发明的具体技术方案如下：

3、一种高定向石墨烯膜复合水凝胶散热装置，包括金属翅片、设置于金属翅片表面的水凝胶层以及分散于水凝胶层的石墨烯膜碎片；所述石墨烯膜碎片片层呈定向有序堆叠。

4、还包括分散于水凝胶层的吸湿剂。

5、所述石墨烯膜碎片的片径为27-33mm；厚度为140-160μm。

6、所述水凝胶层的厚度为2.5-3.5mm。

7、所述吸湿剂为溴化锂、氯化锂、氯化钙中的至少一种。

8、所述金属翅片的材质为铝或铜。

9、一种上述的高定向石墨烯膜复合水凝胶散热装置的制作方法，包括以下步骤：

10、s1.制备高定向石墨烯膜：将石墨烯用n-甲基吡咯烷酮溶液配制浓度为14-16 mg/ml的混合溶液，之后将混合溶液在超声波中分散8-12 min，然后，使用直径为0.22 um的滤纸在循环多用泵上抽滤9-11 min，再置于烘箱中95-105 ℃烘干9-11 h，最后使用压片机进行压片，设置压力为18-20 mpa，压制55-65 s，得到高定向石墨烯膜；

11、s2.制备水凝胶原液：将3.5-4.5 g丙烯酰胺加入20ml去离子水中，再加入质量分数为0-50 wt%的吸湿剂，搅拌均匀后通入氮气9-11min，最后依次加入0.006-0.008g n，n-亚甲基双丙烯酰胺、0.009-0.011 g过硫酸铵以及0.008-0.012 g l-抗坏血酸，得到水凝胶原液；

12、s3.混合：将步骤s1得到的高定向石墨烯膜与步骤s2得到的水凝胶原液按照质量比1：200搅拌混合均匀，使得高定向石墨烯膜破碎为为石墨烯膜碎片，分散于水凝胶原液中，得到含有石墨烯膜碎片的水凝胶原液；

13、s4.成型：将金属翅片以及与之外形适配的模具进行装配，再将步骤s3得到的含有石墨烯膜碎片的水凝胶原液倒入模具中，使含有石墨烯膜碎片的水凝胶原液充满金属翅片与模具的间隙，石墨烯膜碎片与水凝胶原液复合时间t为0.5≤t＜2h，定型后取出模具，得到高定向石墨烯膜复合水凝胶散热装置。

14、上述的高定向石墨烯膜复合水凝胶散热装置的制备方法，包括以下步骤：

15、s1.制备高定向石墨烯膜：将石墨烯用n-甲基吡咯烷酮溶液配制浓度为15 mg/ml的混合溶液，之后将混合溶液在超声波中分散10 min，然后，使用直径为0.22 um的滤纸在循环多用泵上抽滤10 min，再置于烘箱中100 ℃烘干10 h，最后使用压片机进行压片，设置压力为19 mpa，压制1 min，得到高定向石墨烯膜；

16、s2.制备水凝胶原液：将4g丙烯酰胺加入20ml去离子水中，再加入质量分数为10-30 wt%的吸湿剂，搅拌均匀后通入氮气10min，再依次加入0.007g n，n-亚甲基双丙烯酰胺、0.01g过硫酸铵以及0.01gl-抗坏血酸，得到水凝胶原液；

17、s3.混合：将步骤s1得到的高定向石墨烯膜与步骤s2得到的水凝胶原液按照质量比1：200搅拌混合均匀，使得高定向石墨烯膜破碎为为石墨烯膜碎片，分散于水凝胶原液中，得到含有石墨烯膜碎片的水凝胶原液；

18、s4.成型：将金属翅片以及与之外形适配的模具进行装配，再将步骤s3得到的含有石墨烯膜碎片的水凝胶原液倒入模具中，使含有石墨烯膜碎片的水凝胶原液充满金属翅片与模具的间隙，石墨烯膜碎片与水凝胶原液复合时间t为0.5≤t＜2h，定型后取出模具，得到高定向石墨烯膜复合水凝胶散热装置。

19、相较于现有技术，本发明的有益效果为：

20、一种高定向石墨烯膜复合水凝胶散热装置，包括金属翅片、设置于金属翅片表面的水凝胶层以及分散于水凝胶层的石墨烯膜碎片；所述石墨烯膜碎片片层呈定向有序堆叠。其中，石墨烯膜的有序堆叠能够将热量高效传递至水凝胶，利用水凝胶受热后水分蒸发实现冷却效果。该石墨烯膜优化了热传输路径，使水凝胶的热导率显著提升。由于热导率的提升、水分蒸发带来的散热效应以及翅片自身的散热性能，热源表面的温度显著下降，大大提高了其蒸发冷却性能，此外，引入吸湿性盐氯化锂（licl）提升了水凝胶的自恢复再生能力。该散热装置展现出优异的性能潜力，有望拓展水凝胶在热管理材料领域的广泛应用。

1.一种高定向石墨烯膜复合水凝胶散热装置，其特征在于，包括金属翅片（1）、设置于金属翅片表面的水凝胶层（2）以及分散于水凝胶层（2）的石墨烯膜碎片（3）；所述石墨烯膜碎片（3）片层呈定向有序堆叠。

2.如权利要求1所述的一种高定向石墨烯膜复合水凝胶散热装置，其特征在于，还包括分散于水凝胶层（2）的吸湿剂。

3.如权利要求2所述的一种高定向石墨烯膜复合水凝胶散热装置，其特征在于，所述石墨烯膜碎片（3）的片径为27-33mm；厚度为140-160μm。

4.如权利要求3所述的一种高定向石墨烯膜复合水凝胶散热装置，其特征在于，所述水凝胶层（2）的厚度为2.5-3.5mm。

5.如权利要求4所述的一种高定向石墨烯膜复合水凝胶散热装置，其特征在于，所述吸湿剂为溴化锂、氯化锂、氯化钙中的至少一种。

6.如权利要求5所述的一种高定向石墨烯膜复合水凝胶散热装置，其特征在于，所述金属翅片（1）的材质为铝或铜。

7.一种如权利要求2-6任一项所述的高定向石墨烯膜复合水凝胶散热装置的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.如权利要求7所述的高定向石墨烯膜复合水凝胶散热装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：