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    香港城市大学/巴黎文理研究大学/吉林大学未来科学国际合作联合实验室Nature:实现1000℃超浸润和高效液冷降温
    发布日期: 2022-01-27  浏览:
  •  近日,香港城市大学王钻开教授与法国巴黎文理研究大学David Quéré教授、吉林大学于吉红院士合作,在最新一期的《Nature》报道了一种结构热装甲 (structured thermal armour, STA),通过创造性地引入绝热无机多孔膜使水滴可在1150°C超浸润而不悬浮,将极端高温环境下高效液体冷却由不可能转化为可能,彻底解决困扰了科研界和工业界266年的莱顿弗罗斯特效应带来的热学难题。

    莱顿弗罗斯特现象,在1732年为赫尔曼·布尔哈夫(Herman Boerhaave)首次发现,其后在1756年,德国医生约翰·戈特洛布·莱顿弗罗斯特(Johann Gottlob Leidenfrost)作出更深入的研究,并书于《论普通水的性质》(A Tract About Some Qualities of Common Water)一文之中。当液体接触一块远超其沸点的物件时,液体表面会产生出一层有隔热作用的蒸气,令液体沸腾的速度大大减慢。

    香港城市大学王钻开教授、巴黎文理研究大学David Quéré教授、吉林大学于吉红院士报道了一种能够抑制莱顿弗罗斯特效应的表面设计,允许喷雾冷却温度超过1100℃,比已有的替代策略高出600℃,全文展示了一种创新的方法和对研究系统的清晰理解,这两者注定会激发未来的冷却策略。

    传统抑制莱顿弗罗斯特效应的方法是构造表面纹理(微米柱阵列或者多孔结构)作为排气通道并产生毛细力,促进固液接触,增强传热。这些研究为降低热阻主要围绕导热材料展开,将发生莱顿弗罗斯特效应的临界温度(Leidenfrost point,简称莱顿点)从200°C仅提升至600°C左右,甚至要以牺牲传热效率为代价。该策略的局限性在于,继续升高温度,液体在接触导热材料前即快速蒸发并积累成完整的蒸汽层,屏蔽了固体表面的纹理。为解决上述策略的局限性,新研发的结构热装甲反常规的引入了绝热无机多孔膜,在液滴撞击高温壁面的瞬间形成局部低温区域,使液体在1000°C以上的极端高温壁面条件下依然可以接触膜表面并发生超铺展,被膜的毛细力牢牢固定住。该结构热装甲具有热异质性和多层级拓扑结构:突出的导热不锈钢微柱阵列作为热桥以快速传热,中间嵌入一层绝热的无机多孔膜以吸取和蒸发液体,底层为U型通道用于气体排出(图1)。这些异质元素的无缝集成巧妙实现了水滴在极端高温下的超浸润现象,以及快速热传导和气液自发相分离,即使在1,150°C的极端高温下,仍能完全抑制莱顿弗罗斯特效应,并在整个温度区间(100-1150°C)均具有高效、可控的冷却性能(图2)。该结构热装甲还可以制作成柔性器件,并紧固装配到各种形状的表面,对于难以直接微加工的表面具有巨大的应用潜力(图4)。

    图1 结构热装甲的设计。

    图2 结构热装甲的性能。

    图3 测试结构热装甲的应用极限。

    图4 弯曲和柔性结构热装甲。

    该工作标题为“Inhibiting the Leidenfrost effect above 1000°C for sustained thermal cooling”。香港城市大学王钻开教授,法国巴黎文理研究大学David Quéré教授及吉林大学于吉红院士为共同通讯联系人,香港城市大学博士后蒋孟男和王洋为共同第一作者。其他合作者包括香港城市大学机械工程学系系主任潘钦教授、助理教授Steven Wang博士、研究助理张欢欢博士、博士生刘法钰和李玉超,以及香港理工大学工业及系统工程学系杜雪教授和博士生杜晗恒。

    以上图文转自人民网,请点击左下方“阅读原文”查阅该研究工作全文

    全文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-021-04307-3