浙江大学范利武/宁波大学叶羽敏Small：纳米梯度固态超滑表面实现超耐久高性能滴状冷凝传热

转自 传热传质青委会

研究背景

高效且长期稳定的滴状冷凝对于电力、制冷、能源转换与热管理过程具有重要意义，也是推动节能降碳、助力实现碳中和的重要技术路径。通过结构化疏水表面促进冷凝液滴快速脱离，可以显著降低凝液热阻并提升冷凝换热性能。然而，现有疏水表面往往面临“高传热性能”与“长期耐久性”难以兼得的问题。微/纳结构超疏水表面在大过冷度或长期运行中易发生润湿模式转变，而注液润滑表面则可能因润滑剂流失而失效；超薄固态类液表面热阻较小，但机械耐久性及其对工程应用中粗糙金属基底的适应能力仍然有限。

针对上述挑战，浙江大学能源工程学院范利武团队联合宁波大学材料科学与化学工程学院叶羽敏团队，在国际知名期刊《Small》发表研究论文，提出了一种具有纳米尺度梯度的固态超滑（nano-gradient solid-state super-slippery, NSS）表面。通过等离子增强化学气相沉积（PECVD）构建了一种约300 nm厚度的梯度复合涂层，在兼顾低热阻、优异液滴滑移能力和机械/热耐久性的同时，实现了稳定高效的水蒸气滴状冷凝。在2-8 K的宽过冷度范围内，NSS表面的冷凝传热系数较超疏水表面提升约20%；同时在连续60天冷凝测试中保持稳定性能，并经受250 °C、240 h高温以及严苛摩擦测试。

研究内容

传统单层固态超滑涂层通常依赖极薄的柔性聚合物链层获得低接触线阻力，但其超薄结构容易继承基底粗糙度，并在磨损、氧化和高温环境下耐久性有限。研究团队提出逐层构筑的三层复合NSS涂层：底层用于平整基底并增强界面结合，中间层提供高机械强度，顶层赋予涂层疏水与超滑特性。在保持较低附加热阻的同时，提升了涂层对粗糙金属基底的适应性与耐久保护。表征结果显示，NSS涂层的总厚度约为300 nm，对应热阻为10^-6 m²K/W量级。涂层表面具有极低的纳米尺度粗糙度，并表现出较小的滑动角与接触角滞后；其超滑特性与表面柔性PDMS聚合物链段在固-液界面的构象重排相关，该过程有利于三相接触线移动；同时，PECVD过程形成的强界面结合以及梯度结构有助于缓解内部应力并提高整体机械稳定性。

图1 NSS涂层的设计与制备策略：a) 通过PECVD逐层构筑具有不同功能的纳米梯度涂层；b) 优化后的约300 nm厚度NSS涂层兼具超低热阻、优异液滴滑移能力以及良好的机械与热耐久性

研究团队在53kPa冷凝压力、0-8 K过冷度范围内系统对比了NSS、超疏水（SHPB）、疏水和亲水表面的水蒸气冷凝传热性能。低过冷度下，超疏水表面的微液滴聚并弹跳具有一定优势；随着过冷度升高，液滴弹跳逐渐减弱并出现钉扎液滴，而NSS表面凭借低滑移阻力持续促进液滴快速脱离。当过冷度超过2K时，NSS表面的传热性能超过SHPB表面；在高过冷度下，传热系数HTC提高约20%，最大提升达到25%，相较于膜状冷凝实现超过100%的强化。

长期耐久性能是本研究的核心之一。连续原位水蒸气冷凝测试表明，NSS表面在长达60天的测试中HTC基本保持稳定。高温测试中，涂层在250°C下加热240h后仍保持较低的接触角滞后；即使进一步提高温度，涂层也表现出较强的热稳定性。因此，数百纳米厚的多功能梯度涂层在传热、液滴滑移、机械强度、热稳定性以及对基底粗糙度的适应性之间实现了较好的协同。

图2 NSS表面的冷凝传热强化与耐久性：a) 不同过冷度下的冷凝传热系数；b) 与已有高性能涂层的综合对比；c) 长期冷凝测试的HTC保持率；d) 耐高温性能；以及 e) 60天连续冷凝测试结果

研究进一步对液滴动力学进行了可视化与统计分析。NSS表面在不同过冷度下均可维持稳定滴状冷凝；相比之下，超疏水表面随着过冷度升高会逐渐出现液滴钉扎以及弹跳衰减。在面积为2cm²的光滑（60nm粗糙度）和原始商业级（300nm粗糙度）基底上，NSS表面的典型液滴滑移过程分别需0.5s和0.8s；而微纳结构超疏水表面约需3s。NSS表面的平均液滴滑移速度约为32和20mm/s。在6K过冷度下，NSS表面液滴脱离频率约为3滴/s，显著高于超疏水表面；由于顶层具有极低粗糙度和滑移阻力，液滴在直径<1mm时即可开始滑移。较小的初始滑移尺寸和较高的脱离频率意味着凝液能够及时脱离表面，减少液滴覆盖和热阻，从而维持更高的表面更新速率与冷凝传热能力。

图3 冷凝液滴动力学统计分析：a) 不同表面和基底粗糙度下的液滴分布；b) 单滴滑移过程；c) 液滴脱离频率、滑移直径和最终脱离直径

研究针对高温老化后的NSS涂层进行了表征。经过250 °C、240 h加热后，NSS表面化学组成和官能团比例保持稳定，接触角滞后仍约为12°；冷凝HTC下降程度低于20%，表面仍保持明显的传热强化效果，液滴动力学统计也显示其超滑特征得到较好保留。

图4 NSS涂层经250 °C、240 h高温处理前后的性能对比：a，b) 化学成分表征；c) 静态接触角与接触角滞后；d) 液滴滑动角；e) 摩擦系数；f) 冷凝传热系数与 g) 液滴脱离动力学分析

研究采用棉布对NSS涂层表面进行摩擦以测试其机械耐久性，接触压力13 kPa，摩擦速度15 mm/s。经5000次摩擦后，涂层仍保持较强的液滴滑移能力，涂层厚度仅降低约3%；在10000次摩擦后，接触角滞后仍低于20°。5000次摩擦后NSS表面HTC整体下降约30%，液滴脱离频率降低，但表面仍能维持滴状冷凝传热强化，说明纳米梯度多层结构能够有效提升固态超滑表面的耐磨性能。

图5 NSS涂层表面机械摩擦前后性能对比：a) 静态接触角与接触角滞后；b) 液滴滑动角；c) 表面形貌与涂层厚度；d) 摩擦系数；e) 冷凝传热系数与 f) 液滴脱离动力学

总结与展望

本研究提出了一种面向长期蒸汽冷凝强化的纳米梯度固态超滑表面，通过调控纳米尺度的分层沉积方法，将低热阻、高液滴迁移能力、机械耐久性、热稳定性以及对实际金属基底粗糙度的适应性集成于同一超薄涂层。结论如下：

1. NSS涂层能够实现稳定滴状冷凝与快速液滴更新。在2-8K过冷度范围内，NSS 表面的冷凝传热系数相较超疏水表面提升约20%，最高提升约 25%；

2. NSS表面在连续60天水蒸气冷凝测试中几乎无明显性能衰减；经250°C、240h高温处理后HTC下降<20%，经10000次摩擦后接触角滞后<20°；

3. PECVD策略可用于不同粗糙度和不同金属基底，为将固态超滑表面进一步应用于实际冷凝换热器提供了可扩展性方案。

总体而言，本工作针对滴状冷凝强化表面长期存在的传热性能与耐久性难以兼顾的问题，通过沿厚度方向的纳米尺度组分梯度与功能分层，实现了低热阻、快速液滴迁移、机械耐久性和热稳定性的协同优化。对于工业蒸汽冷凝场景，这种无需液态润滑剂、能够适应实际粗糙金属基底的固态超滑涂层，为高效、长寿命冷凝换热表面的工程化应用提供了新的设计思路。

论文信息

Zhang, YC, Xu, H, Zhang, TY, et al. Ultra-Durable High-Performance Dropwise Condensation Heat Transfer Enabled by a Solid-State Super-Slippery Surface with Nanoscale Through-Thickness Compositional Gradient. Small (2026), e75810. DOI: https://doi.org/10.1002/smll.75810

作者介绍

论文共同第一作者为浙江大学2025届硕士毕业生张雨辰、宁波大学2025届硕士毕业生徐赫、浙江大学2025届博士毕业生张天宇和宁波大学2024届硕士毕业生汪振波。张天宇博士、宁波大学叶羽敏教授和浙江大学范利武研究员为本文共同通讯作者。本研究获中国载人空间站应用与发展工程空间科学与应用项目、浙江省自然科学基金重点项目以及浙江省自然科学基金白马湖实验室联合基金重点项目的资助。

第一作者：张雨辰，浙江大学能源工程学院2025届硕士毕业生，本科就读于浙江大学能源工程学院智慧能源班，现于美国康奈尔大学攻读博士学位，导师为Lenan Zhang教授。主要开展气液相变传热实验及界面分子动力学模拟研究。以第一作者在国际顶尖期刊Adv. Funct. Mater.和Small上发表论文2篇，以共同作者发表SCI论文3篇，曾获浙江大学竺可桢奖学金、浙江大学“国泰君安筑梦强国”奖学金、浙江大学“南都创新”奖学金，以及浙江大学能源工程学院“十佳学子”和浙江大学“五好研究生”等荣誉。

共同通讯作者：张天宇，浙江大学能源工程学院2025届博士毕业生，现于加拿大滑铁卢大学从事博士后研究，合作导师为加拿大工程院院士Sushanta Mitra教授。主要从事气液相变传热强化与表界面科学的交叉研究。以第一/通讯作者在Cell Rep. Phys. Sci., Adv. Funct. Mater., J. Colloid Interface Sci., Small和Int. J. Heat Mass Transfer等国际高水平期刊发表论文10余篇，其中在J. Colloid Interface Sci.和Langmuir发表封面文章3篇。曾获国家公派留学基金联培博士生项目资助和国际沸腾/冷凝传热会议最佳海报奖。

联系方式：tianyu.zhang@uwaterloo.ca