创纪录高传热性能！3D打印分级微/纳结构表面大幅优化喷雾冷却传热路径

       在人工智能、通信、电动汽车、国防与航空航天等领域中，如何在高热流密度条件下控制设备工作温度已成为一项重要挑战。喷雾冷却结合了强制对流与工质相变潜热，是一种具有高热流散热潜力的技术。然而，大多数喷雾冷却增强研究通过提高喷雾流速来强化强制对流，以实现较高的临界热流密度（CHF），但这种方法通常会导致较低的传热系数（HTC）。尽管微/纳结构表面能增强沸腾性能，但其内部容易形成气膜，从而降低传热效率。
      基于此，华中科技大学杨荣贵教授课题组结合微纳3D打印与电沉积技术，制备了三维有序微纳多级结构表面。该表面通过调控喷雾液滴、液膜和汽泡的协同输运，同步强化液膜沸腾与毛细蒸发，创造了喷雾冷却的换热记录。相关研究以“Record-high heat transfer performance of spray cooling on 3D-printed hierarchical micro/nano-structured surface”发表于《Science Bulletin》，华中科技大学博士生胡雍炎、雷逸凡为共同第一作者，刘修良副教授为共同通讯作者 。

本研究通过设计三维（3D）有序分级微/纳结构表面，改善喷雾液滴蒸发与液膜沸腾性能，实现了CHF和HTC的同步增强。该分级结构优化了喷雾液滴、毛细液膜和沸腾气泡的传输路径，从而提高了喷雾冷却性能。研究中还观察到了“沸腾反转”现象，即随着热流密度增加，过热度反而下降，这显著促进了气泡成核和蒸发，带来了超高的HTC。同时，突破了液-气逆流限制，实现气泡快速逃逸与液体渗透的协同作用，从而获得了创纪录的喷雾冷却性能：在1 cm²加热表面上，最大热流密度达1273 W/cm²，HTC达443.7 kW/(m²·K)。

研究人员通过结合摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术（nanoArch® S130，精度： 2 μm）与模板辅助电沉积技术，设计并制造了三维有序分级微/纳结构表面。该表面由对齐的空心三棱柱构成，其侧壁上具有层叠微槽（厚度约为5 µm），这些微槽能够作为液体传输的毛细通道，同时提供气泡成核的活性点。此外，通过电沉积工艺，在表面形成直径为0.1至2.8 µm的纳米结构微腔，这些微腔在高热流条件下作为气泡成核点，持续促进成核沸腾。

喷雾冷却实验结果表明，分级微/纳结构表面在高热流密度条件下表现出优异的传热性能，成功克服了液-气逆流问题，并实现了创纪录的热流密度和HTC。

   总结：本文设计了一种创新的三维有序分级微/纳结构表面，通过优化喷雾冷却的传热路径，实现了同时提升CHF和HTC的目标。在1 cm²加热表面上，最大热流密度为1273 W/cm²，HTC为443.7 kW/(m²·K)，分别比以往最高记录提升了52.6%和173.9%。这一研究为高效热管理技术提供了新的思路，未来有望广泛应用于人工智能、电动汽车和航空航天等领域。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.10.028