近日，北京大学讲席教授杨荣贵的热功能与交叉应用团队结合微尺度三维打印与电沉积技术，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 (doi: 10.1016/j.scib.2024.10.028)，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。
在人工智能、通信、国防以及航天等前沿领域，高功率设备的温度管控至关重要。为了防止高功率电子器件在高热通量下过热，需要兼具高传热系数和临界热流密度的先进热管理方法。喷雾冷却利用喷嘴将冷却剂雾化成微小的液滴，喷射到被冷却表面上形成一层薄液膜。喷雾冷却过程综合利用了强制对流、液膜蒸发和核态沸腾三种传热机制进行冷却。相对于射流冲击和微通道冷却，喷雾冷却具有较低的表面过热度，在高热流密度散热领域展现出良好的潜力。
结构表面的喷雾冷却示意图
为提升喷雾冷却的传热性能，国内外研究人员采用了许多方法。例如通过增加喷雾流量来强化单相对流，从而提高喷雾冷却的临界热流密度，但这往往会导致较低的传热系数。利用微纳米结构表面，可以强化沸腾换热，实现喷雾冷却传热系数的提高。但微纳米结构表面中剧烈沸腾产生的汽泡容易聚集形成汽膜，难以显著提升喷雾冷却的临界热流密度。针对这一挑战，杨荣贵团队结合微尺度三维打印与电沉积技术，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，强化液膜沸腾与毛细蒸发，实现喷雾冷却临界热流密度和传热系数的同时增强。
三维有序微纳多级结构表面：（A）俯视图和侧壁面放大图、（B）结构内部的汽液协同输运示意图
三维有序微纳多级结构表面强化喷雾冷却机理：（A）热流密度提高，液膜厚度下降使液膜蒸发面积增加；（B）结构侧壁上微槽和微孔随表面温度的增加依次被激活成为汽泡成核点，强化液膜沸腾；（C）三维有序微纳多级结构表面能快速输运液滴；（D）有序排列的结构表面具有较低的汽泡突破压力。
三维有序微纳多级结构表面与其他结构表面的喷雾冷却换热性能对比。（A）微/纳米结构表面在不同热流密度下的换热系数。（B）与文献中报道中喷雾冷却的最大热流密度与相应换热系数的比较。
{ 文章信息 }
Yongyan Hu, Yifan Lei, Xiuliang Liu, Ronggui Yang. Record-high heat transfer performance of spray cooling on 3D-printed hierarchical micro/nano-structured surface. Science Bulletin 2025; 70(2). doi: 10.1016/j.scib.2024.10.028
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