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


【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。

【图文导读】

图一、STA设计

图二、STA材料的性能

图三、测试STA的限制

具有弯曲和柔性的STA

文献链接:“Inhibiting the Leidenfrost effect above 1,000 °C for sustained thermal cooling(Nature,202110.1038/s41586-021-04307-3)

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