香港城大王钻开&吉大于吉红Nature:突破莱顿弗罗斯特效应对传热的限制

CYM 3年前 (2022-01-27) 4993浏览

【引言】

从钢铁和航空航天工业到核电站，日常生活和工业环境都需要有效地冷却热表面。喷雾和射流冷却等技术因其简单、除热能力和低用水量相结合而被广泛采用。然而，这些技术在非常热的固体上受到了广泛的限制。当温度超过所谓的莱顿弗罗斯特点（LFP）时，固体和液体之间会形成连续的蒸汽层，从而产生热阻并突然降低传热，热冷却能力可以通过基板上水滴的寿命来表征。在莱顿弗罗斯特状态下，该时间通常为10到100秒，需要减少到小于1秒（非均质沸腾状态）以保持有效的热传递，这在固体非常热时是一个挑战。因此，当基板温度介于水的沸点和LFP之间时，通常会观察到不一样的状态，这表明向上移动LFP应该是保持热传递的首选途径。增强LFP的传统方法依赖于使用纹理（例如微柱或多孔结构），这有利于固液接触和有效的相变。基于这种策略，LFP可以从其典型值200℃提高到 450℃。同时，该结构通常是导热的，以尽量减少热阻，而LFP的限制源于高温下大量产生的蒸汽，最终屏蔽了底层纹理，防止液体传播并损害热交换。最近，研究表明，在硅柱阵列上设计具有高导热性（约30 W m^-1 K^-1）和一维纳米孔的刚性膜可将LFP提高到约570℃。尽管这种设计巧妙地将蒸汽疏散与固液接触分离，但水滴的蒸发时间通常保持在10秒的范围内，这不允许在很宽的范围内实现高传热性能温度范围。

今日，香港城市大学王钻开教授，吉林大学于吉红教授和法国巴黎文理研究大学David Quéré教授（共同通讯作者）设计和构建了一种热装甲（STA）结构，可将莱顿弗罗斯特点（LFP）提高到1150℃，即比以前达到的温度高出600℃，且仍保持热传递。其中，设计包括用作热桥的钢柱、用于吸走和散布液体的嵌入式绝缘膜和用于疏散蒸汽的U形通道。具有对比热特性和几何特性的材料共存，协同地将通常均匀的温度转化为非均匀的温度，在所有温度下产生横向吸芯材料的性质和增强的热冷却。此外，结构化热装甲仅受其熔点的限制，而不受设计的限制。该材料可以制成柔性器件，可以附着在多种结构的表面，使其同样具有高效液冷的能力。本文的策略实现了在超高固体温度下有效的水冷却，解决了超高温度下设备的散热问题。相关研究成果以“Inhibiting the Leidenfrost effect above 1,000 °C for sustained thermal cooling”为题发表在Nature上。