香港城大王鉆開&吉大于吉紅Nature:突破萊頓弗羅斯特效應對傳熱的限制

CYM 1年前 (2022-01-27) 3809瀏覽

【引言】

從鋼鐵和航空航天工業到核電站，日常生活和工業環境都需要有效地冷卻熱表面。噴霧和射流冷卻等技術因其簡單、除熱能力和低用水量相結合而被廣泛采用。然而，這些技術在非常熱的固體上受到了廣泛的限制。當溫度超過所謂的萊頓弗羅斯特點（LFP）時，固體和液體之間會形成連續的蒸汽層，從而產生熱阻并突然降低傳熱，熱冷卻能力可以通過基板上水滴的壽命來表征。在萊頓弗羅斯特狀態下，該時間通常為10到100秒，需要減少到小于1秒（非均質沸騰狀態）以保持有效的熱傳遞，這在固體非常熱時是一個挑戰。因此，當基板溫度介于水的沸點和LFP之間時，通常會觀察到不一樣的狀態，這表明向上移動LFP應該是保持熱傳遞的首選途徑。增強LFP的傳統方法依賴于使用紋理（例如微柱或多孔結構），這有利于固液接觸和有效的相變。基于這種策略，LFP可以從其典型值200℃提高到 450℃。同時，該結構通常是導熱的，以盡量減少熱阻，而LFP的限制源于高溫下大量產生的蒸汽，最終屏蔽了底層紋理，防止液體傳播并損害熱交換。最近，研究表明，在硅柱陣列上設計具有高導熱性（約30 W m^-1??K^-1）和一維納米孔的剛性膜可將LFP提高到約570℃。盡管這種設計巧妙地將蒸汽疏散與固液接觸分離，但水滴的蒸發時間通常保持在10秒的范圍內，這不允許在很寬的范圍內實現高傳熱性能溫度范圍。

今日，香港城市大學王鉆開教授，吉林大學于吉紅教授和法國巴黎文理研究大學David Quéré教授（共同通訊作者）設計和構建了一種熱裝甲（STA）結構，可將萊頓弗羅斯特點（LFP）提高到1150℃，即比以前達到的溫度高出600℃，且仍保持熱傳遞。其中，設計包括用作熱橋的鋼柱、用于吸走和散布液體的嵌入式絕緣膜和用于疏散蒸汽的U形通道。具有對比熱特性和幾何特性的材料共存，協同地將通常均勻的溫度轉化為非均勻的溫度，在所有溫度下產生橫向吸芯材料的性質和增強的熱冷卻。此外，結構化熱裝甲僅受其熔點的限制，而不受設計的限制。該材料可以制成柔性器件，可以附著在多種結構的表面，使其同樣具有高效液冷的能力。本文的策略實現了在超高固體溫度下有效的水冷卻，解決了超高溫度下設備的散熱問題。相關研究成果以“Inhibiting the Leidenfrost effect above 1,000?°C for sustained thermal cooling”為題發表在Nature上。