AFM南京大学构建了具有粘附和抗腐蚀双重功能的Janus结构水凝胶,解决了传统吸湿水凝胶界面热阻高和卤化物盐泄漏腐蚀设备的关键难题.

氟橡胶工程化大气吸湿水凝胶：具有粘附与抗腐蚀界面的高效稳定蒸发冷却材料

·DOI：10.1002/adfm.202531131

南京大学固体微结构物理国家重点实验室、工程与应用科学学院、江苏省人工功能材料重点实验室、先进微结构协同创新中心课题组。该课题组通过设计一种基于氟橡胶的界面工程策略，成功构建了具有粘附和抗腐蚀双重功能的Janus结构水凝胶，在保持高吸湿能力的同时，解决了传统吸湿水凝胶界面热阻高和卤化物盐泄漏腐蚀设备的关键难题。

·研究背景

随着电子设备的小型化、高密度集成和功率密度提升，有限空间内的热量积累问题日益严重，威胁设备可靠性和寿命。基于大气吸湿水凝胶（AHHs）的吸附式蒸发冷却是一种有前景的被动热管理方案，但传统AHHs面临两大挑战：1）界面粘附性差：在长期蒸发冷却过程中，水凝胶因失水收缩变形，导致与基材部分脱离，形成空气间隙，产生高界面热阻，严重削弱冷却性能。2）卤化物盐泄漏腐蚀：AHHs通常依赖LiCl、CaCl₂等强吸湿性但腐蚀性强的卤化物盐，这些盐易泄漏并严重腐蚀金属设备。现有改进策略（如使用粘性离子凝胶、塑料框架或聚四氟乙烯薄膜封装）往往以牺牲水凝胶的吸湿容量和吸附动力学为代价。因此，开发一种兼具高吸湿能力和稳定冷却界面的AHHs以实现长效冷却和抗腐蚀，仍是一个挑战。

·研究目标

1.开发一种具有稳定冷却界面的氟橡胶工程化大气吸湿水凝胶（FAHH），旨在同时解决传统AHHs的界面粘附性差和卤化物盐泄漏腐蚀问题，而不损害其高吸湿能力。

2.通过构建Janus结构（顶部为亲水性聚丙烯酰胺/LiCl吸湿层，底部为超薄粘附性氟橡胶界面），实现与多种基材的强粘附，并利用界面的疏水性和电负性有效抑制卤化物离子泄漏。

3.验证FAHH在模拟和实际电子设备（如单板计算机、太阳能电池）中的高效、稳定蒸发冷却性能及其抗腐蚀能力。

·研究方法

1.材料制备：采用三步法构建Janus结构FAHH。首先，将氟橡胶前驱体涂覆在冷冻干燥的PAM水凝胶表面；其次，进行原位聚合形成氟橡胶界面；最后，将氯化锂（LiCl）负载到PAM网络中。

2.表征手段：利用扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）表征材料的形貌、界面结构及元素分布；通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）分析化学组成；使用水接触角测量评估界面疏水性。

3.机理分析：采用密度泛函理论（DFT）计算氟橡胶界面功能基团（如氟化烷基、烷氧基、氟化阴离子TFSI⁻、氮阳离子基团N⁺）与不同基材（金属、玻璃、塑料）的结合能，阐明粘附机制。通过Zeta电位测试和离子渗透性实验，验证氟橡胶界面的电负性及其对氯离子的阻隔作用。

4.性能测试：搭建水平和垂直两种冷却测试装置，在60°C工作温度、不同相对湿度（40%，60%，80%RH）条件下，监测FAHH的降温效果、冷却功率和冷却能量。通过180°剥离测试量化粘附强度。进行长达60天（每周期16小时吸附/8小时解吸）的循环腐蚀测试，评估其抗腐蚀性。在实际应用中，测试其对单板计算机和晶体硅太阳能电池的冷却效果。

·研究结果

1.强粘附界面：DFT计算表明，氟橡胶界面的多种功能基团可通过静电、离子-偶极、氢键和阳离子-π相互作用与不同基材牢固结合（例如，TFSI⁻与铜的结合能为-331.3kJmol⁻¹）。180°剥离测试显示，FAHH对铝板的粘附能高达52Nm⁻¹，是传统AHH（15Nm⁻¹）的3倍以上。这使得FAHH能在长期吸附/解吸循环中保持与基材的稳定热接触，防止因水凝胶收缩产生空气间隙。

2.优异抗腐蚀性：Zeta电位测试表明氟橡胶界面具有电负性（源于PHFBA和PDEGMA组分），能通过电荷排斥有效阻隔氯离子。离子渗透性实验证实，在48小时测试中，FAHH侧的氯离子浓度保持不变（<0.05gL⁻¹），而传统AHH则出现显著泄漏。经过60天循环测试后，与FAHH接触的铝板表面无可见腐蚀，而与AHH接触的铝板则出现明显的点蚀。

3.高效冷却性能：在水平放置、工作温度60°C、80%RH吸附条件下，FAHH在前5小时内实现了平均11.3°C的温降和343.8Wm⁻²的平均冷却功率，显著优于传统AHH（温降6.5°C，功率109.3Wm⁻²）。其12小时内的冷却能量在80%RH下达到2213Whm⁻²。在垂直条件下，FAHH仍能维持有效冷却（80%RH下平均温降5.1°C），而AHH则因脱落迅速失效。这归因于强粘附确保了低界面热阻。

4.实际应用验证：

单板计算机冷却：在高负载运行时，FAHH使设备最高温度降低23.7°C，平均降低17.8°C，并使工作性能提升17.2%。

太阳能电池冷却：在1太阳光照下，FAHH使太阳能电池最高温度降低17.4°C，平均降低11.6°C，其功率转换效率从13.2%提升至14.0%（提升0.8个百分点）。

户外测试：在为期3天的户外测试中，FAHH覆盖的太阳能电池相比通风不良的对照组，实现了最高25.7°C、平均12.1°C的温降。

·总结

本工作首次提出并实现了一种界面工程策略，通过构建具有Janus结构的氟橡胶工程化大气吸湿水凝胶（FAHH），同步攻克了蒸发冷却水凝胶领域界面粘附性差和卤化物盐泄漏腐蚀两大核心挑战。其核心创新在于：1）利用氟橡胶界面的多重分子相互作用实现了与多种基材的强韧粘附，显著降低了界面热阻；2）利用该界面的疏水性和本征电负性，在不牺牲整体吸湿能力的前提下，有效阻隔了腐蚀性离子的迁移。这使得FAHH在保持高吸湿容量（80%RH下3.5gg⁻¹）的同时，获得了卓越的冷却性能（343.8Wm⁻²）和长效稳定性（>12小时有效冷却，60天无腐蚀）。该研究为下一代电子设备的被动热管理提供了一种高效、可靠且可持续的解决方案，并且这种界面策略有望推广至其他吸湿材料体系，以进一步提升其冷却性能。未来的研究可关注开发非氟化的疏水粘附材料，以降低环境潜在影响。

电子冷却用粘合型氟橡胶工程化大气吸湿水凝胶( FAHH )示意图。( a ) FAHH与左边的子状态之间的强粘附性示意图。FAHH的化学成分在右侧。( b )氟橡胶界面的疏水性和电负性阻止氯离子和防止水和盐的泄漏，使FAHH具有耐腐蚀性。( c )电子器件冷却用FAHH的工作原理。在吸附循环过程中，FAHH从周围大气中捕获水分。 在较重的工作负荷下，随着装置温度的升高，开始进行解吸循环，在此过程中，水在热能的驱动下从水合FAHH中蒸发，从而散发热量

FAHH的稳定冷却界面。( a ) FAHH与不同基底(金属、玻璃和塑料)的粘附机理示意图。( b )通过DFT计算氟橡胶界面官能团与各种基底之间的结合能。( c )通过180 °剥离测试FAHH和AHH对铝板的粘附强度，表明氟弹性体界面的掺入显著增强了PAM水凝胶的粘附性。( d ) FAHH粘附在不同基底(铝、铜、玻璃和聚对苯二甲酸乙二醇酯)上的照片，重量为100 g。( e ) FAHH的耐腐蚀机理。氯离子被电负性氟橡胶界面排斥。 ( f )氟橡胶界面和构成氟橡胶界面的三种均聚物：PHFBA、PDEGMA和P [ MATAC ] [ TFSI ]的Zeta电位测试，表明氟橡胶界面的电负性归因于PHFBA和PDEGMA。插图为测试装置。( h-k )数码照片和SEM图像显示，在60天的循环试验(每循环吸附16 h ,解吸8 h)后，铝板与FAHH和AHH接触

FAHH的制冷性能。( a )用于演示制冷性能的水平位置测试装置的示意图。它由提供加热电源的柔性聚酰亚胺加热器、用于半导体电子器件的铝板和用于监测温度的热电偶组成。( b )施加相同热负荷时水平位置的FAHH和AHH的温度分布。( c )施加相同热负荷时水平位置的FAHH和AHH的温度负荷。( d ) FAHHs和AHHs在经历长期冷却试验后在水平条件下的照片。( e )相同温度下，FAHH和AHH在水平放置时的制冷功率曲线。 ( f )相同温度下，FAHHs和AHHs在水平放置时的冷却能量。( g )用于演示冷却性能的垂直位置的测试装置的示意图。( h )施加相同热负荷时竖直位置的FAHH和AHH的温度分布。( i )施加相同热负荷时竖直位置的FAHH和AHH的温度负荷。( j )竖直条件下冷却试验时的FAHHs和AHHs照片。( k )相同温度下，竖直放置时，FAHH和AHH的制冷功率曲线。( l )相同温度下，FAHHs和AHHs在竖直放置时的冷却能量

实际应用的演示。( a ) FAHH、AHH和空白(没有冷却器)在高负荷运行后所附单板计算机设备的照片和红外图像。( b )单板计算机设备在高负荷试验时的温度曲线。( c )高负荷测试代表工作绩效的总分比较。( d )在1个太阳光照下，FAHH和AHH所附太阳能电池的温度曲线。( e ) FAHH、AHH和空白附着的太阳能电池在1个太阳光照下测试8 h前后的光伏性能。( f ) e )的局部放大图。( g )室外试验照片。 四个样品：没有冷却器的太阳能电池(空白)，安装有10厘米厚泡沫的太阳能电池，覆盖有FAHH和AHH的太阳能电池。( h )在2024年9月29日、10月02日和10月03日测量了3天的温度曲线和太阳辐照度( Isolar )。所有数据均以1 min为间隔进行记录