一种利用非均匀电场消除水分过冷的方法-凯发k8娱乐

本发明涉及多种领域，包括生物医学领域中生物样品的保存、储能领域中基于相变材料的储热系统领域，具体涉及一种利用非均匀电场消除水分过冷的方法。

背景技术：

1、温度低于凝固点仍不凝固的水称为过冷水。过冷水处于亚稳态，极易受到外部扰动的影响，如外来物质、振动或温度波动，导致突然的冰核形成。在细胞、组织及器官等生物样品冷冻保存过程中，过冷水的不可控冰核形成可能导致生物样品结构损害及生理病变，极大降低保存效率。在基于固液相变的储热过程，如冰蓄冷技术中，液体的过冷及其不稳定特性会导致能量存储和释放过程的不稳定，降低储能系统运行效率。如何消除过冷，已然成为以上应用过程中存在的巨大的挑战。

2、目前工业场合使用最广泛的控制过冷的方法为向过冷水中添加核化剂，如碘化银颗粒，然而这种方法不可避免地造成液体污染，如在生物样品保存过程中，外源物质多不具有生物兼容性，可能对样品造成不可逆的伤害；又如在冰蓄冷过程中，外加颗粒物会造成输送管道的堵塞或储存容器的腐蚀等问题。传统的机械方式如超声技术、减压技术、真空引发结冰技术等，能耗较大，在实际使用中难以规模化。近来，部分研究者采用外加电场降低水分过冷度。该类技术不污染过冷水、能耗较小且操作简单，是极具潜力的水分过冷控制方式。然而过去研究多采用平板电极构建匀强静电场，这种方式对水分过冷的调控程度有限，无法彻底消除过冷。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种利用非均匀电场消除水分过冷的方法，通过微纳阵列结构电极构建可控非均匀电场，可实现任意体积水分的无过冷结冰。

2、本发明实现目的所采用的方案是：一种利用非均匀电场消除水分过冷的方法，通过微纳阵列结构电极构建可控非均匀的电场，实现水分的无过冷结冰。

3、优选地，包括以下步骤：

4、(1)制备微纳米阵列电极；

5、(2)将电源分别连接普通电极与微纳米阵列电极，其中微纳米阵列与普通电极之间通过介电层绝缘；

6、(3)将普通电极或者微纳米阵列电极与过冷水接触，施加非均匀电场进行处理，实现水分的无过冷结冰。

7、优选地，所述步骤(1)中，微纳米阵列电极包括碳纳米管阵列、金属微肋阵列、金属纳米线阵列、类似阵列的多孔结构中的任意一种；所述类似阵列的多孔结构包括纳米多孔金属、多孔石墨及多孔泡沫金属中的任意一种。

8、优选地，所述步骤(1)中，当微纳米阵列电极为碳纳米管阵列时，其制备方法为：在si片衬底依次镀粘连层和催化层；其次，以碳氢化合物为碳源，采用气相化学沉积法在催化层表面生长多壁碳纳米管阵列，最后，倒置并将碳纳米管阵列压印转移到导电带表面并粘连形成所述的微纳米阵列电极；所述碳氢化合物为乙烯、甲烷、乙炔中的至少一种。

9、气相化学沉积法的温度为600-1200℃。

10、优选地，所述步骤(1)中，所述微纳米阵列电极的阵列单元特征尺寸a为0～100微米，单元间距l>a，厚度h>5a。

11、优选地，所述步骤(2)中，介电层的材料为绝缘材料，具体的为聚二甲基硅氧烷、树脂、橡胶、聚乙烯、聚四氟乙烯中的任意一种，介电层的厚度d为0＜d≤100微米。

12、优选地，当所述介电层为聚二甲基硅氧烷时，所述介电层的制备方法之一为：将聚二甲基硅氧烷凝胶液滴涂覆至微纳米阵列电极的阵列表面，固化后形成所述介电层。

13、优选地，所述步骤(3)中，施加的电场强度大于105v/m，小于介电层的击穿场强。

14、施加电场强度可以按照施加电压除以介电层厚度d估计，一般应大于105v/m，小于介电层的击穿场强，如对于pdms为2.5×108v/m。

15、优选地，所述步骤(3)中，将普通电极与过冷水接触，介电层位于过冷水和微纳米阵列电极之间。

16、优选地，所述步骤(3)中，将微纳米阵列电极与过冷水接触，介电层位于普通电极和过冷水之间。

17、本发明具有以下优点和有益效果：

18、1)相比均匀电场和其他外加场调控方式，本发明的方法采用非均匀电场可在更宽温度范围内调节过冷度，本发明提供的方法其最低过冷度只有0.3℃，基本完全消除了过冷；

19、2)本发明的方法采用非均匀电场调控过冷的方式不需要向过冷水中添加外源物质，可以有效避免水分被污染；

20、3)本发明的方法采用微纳米结构电极阵列有利于利用介电层前驱液的毛细浸润形成微米厚度的薄介电层，这使得在较小电压下就可以形成较大的电场强度梯度促进结冰现象的发生；

21、4)由于电极表面被介电绝缘层覆盖，施加电压过程中，没有电流，且电压较低，较为安全，可以被广泛应用于很多工业场合。

技术特征：

1.一种利用非均匀电场消除水分过冷的方法，其特征在于：通过微纳阵列结构电极构建可控非均匀的电场，实现水分的无过冷结冰。

2.根据权利要求1所述的利用非均匀电场消除水分过冷的方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的利用非均匀电场消除水分过冷的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，微纳米阵列电极包括碳纳米管阵列、金属微肋阵列、金属纳米线阵列、类似阵列的多孔结构中的任意一种；所述类似阵列的多孔结构包括纳米多孔金属、多孔石墨及多孔泡沫金属中的任意一种。

4.根据权利要求3所述的利用非均匀电场消除水分过冷的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，当微纳米阵列电极为碳纳米管阵列时，其制备方法为：在si片衬底依次镀粘连层和催化层；其次，以碳氢化合物为碳源，采用气相化学沉积法在催化层表面生长多壁碳纳米管阵列，最后，倒置并将碳纳米管阵列压印转移到导电带表面并粘连形成所述的微纳米阵列电极；所述碳氢化合物为乙烯、甲烷、乙炔中的至少一种。

5.根据权利要求2所述的利用非均匀电场消除水分过冷的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述微纳米阵列电极的阵列单元特征尺寸a为0～100微米，单元间距l>a，厚度h>5a。

6.根据权利要求2所述的利用非均匀电场消除水分过冷的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，介电层的材料为绝缘材料，具体的为聚二甲基硅氧烷、树脂、橡胶、聚乙烯、聚四氟乙烯中的任意一种，介电层的厚度d为0＜d≤100微米。

7.根据权利要求6所述的利用非均匀电场消除水分过冷的方法，其特征在于：当所述介电层为聚二甲基硅氧烷时，所述介电层的制备方法之一为：将聚二甲基硅氧烷凝胶液滴涂覆至微纳米阵列电极的阵列表面，固化后形成所述介电层。

8.根据权利要求2所述的利用非均匀电场消除水分过冷的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，施加的电场强度大于105v/m，小于介电层的击穿场强。

9.根据权利要求2所述的利用非均匀电场消除水分过冷的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，将普通电极与过冷水接触，介电层位于过冷水和微纳米阵列电极之间。

10.根据权利要求2所述的利用非均匀电场消除水分过冷的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，将微纳米阵列电极与过冷水接触，介电层位于普通电极和过冷水之间。

技术总结
本发明涉及多种领域，包括生物医学领域中生物样品的保存、储能领域中基于相变材料的储热系统领域，具体涉及一种利用非均匀电场消除水分过冷的方法，通过微纳阵列结构电极构建可控非均匀的电场，实现水分的无过冷结冰。相比均匀电场和其他外加场调控方式，本发明的方法采用非均匀电场可在更宽温度范围内调节过冷度，本发明提供的方法其最低过冷度只有0.3℃，基本完全消除了过冷本发明的方法不需要向过冷水中添加外源物质，可以有效避免水分被污染；本发明的方法采用微纳米结构电极阵列有利于利用介电层前驱液的毛细浸润形成微米厚度的薄介电层，这使得在较小电压下就可以形成较大的电场强度梯度促进结冰现象的发生；可以应用于很多工业场合。

技术研发人员：黄志,刘抗,李俊浩
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17