浙江大学范利武课题组J. Mater. Chem. A：软珊瑚启发的双离子电沉积多尺度表面实现高效沸腾传热

转自 传热传质青委会

研究背景

随着微电子等智能制造技术的飞速发展，各种大功率、高集成度的电子器件和能动设备不断增加，导致热流密度持续攀升，散热需求日益增长。相变传热技术充分利用工质相变过程中吸收的潜热，可在较小温差下实现较大热量的高效传递。沸腾作为典型的气液相变传热方式，其传热效率显著高于传统自然对流和单相强制对流，在核能发电、热能动力、航空航天、先进制造以及电力电子等众多行业的热管理系统中都扮演着重要角色。

对于沸腾换热表面，传热系数（HTC）表征给定温差下的传热能力，而临界热流密度（CHF）则决定系统安全运行的热负荷上限。现有大量微/纳结构强化表面更侧重于显著提升CHF，却以沸腾过程中过高的表面过热度为代价，从而限制了HTC。另一方面，精密加工方法虽然能够构筑高度有序的微纳结构，却通常存在成本较高、加工复杂以及难以适应大尺度曲面等问题。因此，如何通过简单、低成本且易于规模化的表面加工方式，协调液体补给、气泡成核和蒸汽排出，在较低壁面过热度下获得高HTC，仍是强化沸腾传热研究中的重要挑战。

图1软珊瑚启发的多尺度沸腾表面设计：a) 软珊瑚的层级结构及不同尺度下的物质输运与局部功能；b)由此启发得到的由宏观多孔骨架和大量精细成核结构组成的沸腾表面；c)采用该结构预期在低过热度下提高核态沸腾传热系数。

针对上述问题，浙江大学能源工程学院能源高效清洁利用全国重点实验室范利武教授课题组从软珊瑚的多尺度层级结构中获得启发，提出了一种双离子全电化学表面构建策略。软珊瑚由较大尺度的共肉组织与大量微小珊瑚虫共同构成，共肉中分布的骨针为群体提供了支撑，珊瑚虫则可利用触手捕获食物，摄取的营养物质能够通过群体内部相连的胃循环系统进行运输和共享，从而维持整个群体的生长和生命活动。不同尺度结构分别承担支撑、输运和局部物质交换等功能。研究团队将这一多尺度协同合作的思想引入沸腾表面设计：利用微米尺度多孔铜骨架实现液体补给，同时在其表面进一步构筑纳米尺度针状锌枝晶，以增加气泡成核位点并促进快速汽泡脱离。硕士生孙艺飞为论文第一作者，李梓瑞博士与范利武教授为论文共同通讯作者，博士生杨文泽、傅国涛、胡书山以及王凌珑博士参与了相关工作。该研究得到中国载人航天工程空间应用系统项目的资助（项目号No. KJZ-YY-NLX0604）。

研究内容

在制备过程中，团队结合此前发展的“电极转置”方法与多步电沉积工艺（Adv. Sci., 12, 2024, 2413142），在多孔铜骨架上进一步沉积锌枝晶，构筑出具有明显层级特征的“Cu+Zn”表面。SEM表征显示，多孔铜形成互连的微米级骨架，其表面进一步负载形成由大量高长径比纳米针状径向组装而成的锌团簇。EDS结果表明，铜主要分布于结构下部，而锌主要集中于上部孔穴外围及尖端突起处，说明该方法实现的是铜微米骨架与锌纳米结构的有序叠加，而非两种金属的无序混合。

图2 双离子全电化学表面改性策略：a) “Cu + Zn”表面的制备流程；b) 由微米多孔铜和针状Zn纳米枝晶组成的表面形貌；c) 表面三维结构示意、截面SEM及Cu/Zn元素分布。

与光滑铜表面以及单一铜或者锌组分的电沉积表面相比，“Cu+Zn”表面的沸腾曲线显著向低壁面过热度方向移动，在维持较高CHF的同时大幅提升HTC。“Cu+Zn”表面的CHF达到2405±11 kW·m^-2，CHF工况下的HTC为362±10 kW·m^-2·K^-1，分别为光滑铜表面的2.5倍和7.1倍。与相关池沸腾强化表面相比，该结构的特点为并非单纯追求极高CHF，而是在低过热度下实现较高HTC。此外，在15次的重复测试中微纳层级结构也未出现明显功能性退化。

图3 池沸腾换热性能及耐久性：a) 五种表面的池沸腾曲线；b) HTC 随热流密度的变化；c) 与已有工作的沸腾曲线对比；d) HTC与CHF强化倍数对比；e) “Cu+Zn”表面的重复测试

高速成像结果揭示了Zn纳米结构强化HTC的原因。在约30 kW·m-2的低热流密度下，裸铜表面的气泡平均脱离直径约为2.2 mm，平均脱离频率约为70 Hz；而在“Cu+Zn”表面，气泡呈现明显的“小而快”脱离特征，平均脱离直径降低至约1.3 mm，平均脱离频率提高至约133 Hz。

进一步分析发现，锌纳米针团聚而成的簇状结构之间构成微米级开口，其中相当一部分尺寸满足实验过热度下的理论活化要求。这些结构有利于形成稳定成核位点，并促进汽泡快速生长与脱离。同时，Zn尖锐突起的特征尺度与核态沸腾过程中微液膜厚度处于相近量级，可能进一步缩短局部热传导路径。

图4 不同热流密度下的气泡行为及强化机理：a) 五种表面的高速气泡图像；b) 平均气泡脱离直径；c) 平均气泡脱离频率；d) Zn纳米簇间空腔尺寸分布；e) Zn纳米枝晶与气泡底部微液膜作用示意

当热流密度进一步提高、气泡发生强烈聚合时，微米多孔铜骨架的液体补给能力开始发挥关键作用。“Cu+Zn”表面结合了铜骨架提供的微米尺度输运通道和Zn纳米针簇产生的毛细驱动力，可快速将液体输送至受热界面，从而延缓局部干涸。

在约2000 kW·m^-2的高热流密度下，“s6 Cu”和“Cu+Zn”表面均能够抑制气泡底部干斑扩展，但两者的气泡脱离模式存在明显区别：前者容易形成长时间滞留并持续聚并的大型汽泡簇，而“Cu+Zn”表面形成的汽泡簇更加狭窄、脱离更快，有利于液体重新补充至受热表面。这也解释了为何“Cu+Zn”表面能够在保持较高CHF的同时进一步显著提高HTC。

图5 高热流密度下的气泡行为及CHF强化机制：a) 不同电化学表面的瞬态吸液性能；b) CHF 强化倍率与芯吸能力之间的关系；c) 约2000 kW m⁻²下“s6 Cu”和“Cu+Zn”表面的汽泡簇演化过程。

总结与展望

该研究受软珊瑚层级结构启发，采用双离子全电化学方法，在微米多孔铜骨架上构筑针状锌纳米枝晶，形成兼具宏观输运通道与丰富成核位点的“Cu+Zn”多尺度表面。多尺度结构的协同作用使表面能够在较低壁面过热度下实现高HTC，同时维持较高CHF。该策略主要基于电化学过程，具有操作简单、成本较低和易于规模化等特点，同时对曲面结构具有较好的适应性，为面向高功率电子器件等应用场景下开发高性能沸腾换热表面提供了新的设计思路。

论文信息

Yi-Fei Sun, Zi-Rui Li, Wen-Ze Yang, Guo-Tao Fu, Shu-Shan Hu, Ling-Long Wang, Li-Wu Fan. Bio-inspired multiscale-structured surfaces for enhanced boiling heat transfer enabled by a double-ion electrodeposition strategy. J. Mater. Chem. A (2026).

https://doi.org/10.1039/d6ta05476e

作者介绍

第一作者：孙艺飞：浙江大学能源工程学院热工与动力系统研究所2024级硕士生，入选首届浙江大学中国核电卓越工程师联合培养项目。主要从事沸腾传热研究，曾参加第二届飞行航行器热管理学术论坛并作口头汇报，并获得浙江大学优秀研究生、五好研究生等荣誉。