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为解决微尺度沸腾过程中诸多未明问题，西安交通大学研究人员开展了微秒脉冲加热下 Pt 薄膜微加热器表面过冷池沸腾研究。结果表明不同热通量下微加热器有不同温度响应模式，初始液体温度影响气泡动力学行为。该研究有助于理解微时空尺度沸腾，助力相关应用。
在科技飞速发展的当下，电子设备的性能不断提升，但其散热问题却日益严峻。随着电子设备集成度越来越高，传统的散热方式，如强制风冷和单相液体冷却，逐渐达到了散热极限。此时，基于微尺度沸腾传热的两相液体冷却技术崭露头角，成为解决散热难题的新希望。不仅如此，微尺度沸腾过程还催生了一系列基于微机电系统（MEMS）技术的功能设备，像微泵、微混合器，以及热喷墨打印技术等。在医疗领域，脉冲激光手术医疗技术的发展，也促使人们对脉冲激光加热生物流体的爆炸沸腾过程展开探索。这些应用都涉及到微加热器表面在快速脉冲加热下的微尺度沸腾现象。
然而，尽管微尺度沸腾研究取得了一定进展，但仍存在不少问题。以往大多数实验研究中，薄膜微加热器的尺寸较小，对于较大尺寸薄膜微加热器在微秒脉冲加热条件下的过冷池沸腾过程，人们了解甚少。而且，初始液体温度（Ta）对微加热器温度响应特性以及气泡动力学演化的影响，尚未得到充分阐释。此外，在薄膜沸腾方面的研究也较为匮乏，对于微时空尺度下蒸汽膜的动态演化，包括其形成、生长和坍塌机制，以及蒸汽膜动态演化对沸腾表面温度响应特性的影响，都有待深入探索。
为了填补这些研究空白，西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室的研究人员 Yigao Lv、Wenxiao Chu 和 Qiuwang Wang 开展了相关研究。他们制造了尺寸为 1000×1000μm 的 Pt 薄膜微加热器，并对其进行了特性表征，在微秒（th=200μs）脉冲加热条件下，研究了过冷池沸腾传热特性和气泡动力学演化过程。该研究成果发表在《Cell Reports Physical Science》上，为微尺度沸腾领域提供了重要的理论依据和实践指导。
研究人员在此次研究中运用了多种关键技术方法。首先是微加热器的设计与制备技术，选用 Pt 作为微加热器材料，在 BF33 高硼硅玻璃晶圆上沉积 Pt 和 Au 薄膜，制作出特定尺寸的微加热器芯片。实验装置则集成了池沸腾实验子系统、电压信号采集装置和高速成像设备，利用示波器记录电阻两端电压，高速相机拍摄气泡动态行为，通过函数发生器控制晶体管实现对微加热器的脉冲加热，并触发高速相机同步记录 。
微加热器的温度响应与沸腾起始
研究人员固定加热脉冲宽度为th=200μs，改变热通量进行实验。结果发现，随着热通量增加，气泡首先在微加热器表面成核，经历生长、坍塌和聚并过程，形成覆盖微加热器表面的蒸汽膜，最终蒸汽膜收缩坍塌形成新的微气泡。相应地，微加热器的平均温度呈现出特定的响应特征。当热通量达到50.5MW/m2时才观察到蒸汽膜的形成（FVB），且热通量提高后，微加热器的升温速率明显加快。在不同热通量下，微加热器的温度响应曲线呈现出不同模式，如qave=58.9MW/m2时为单峰模式，qave=68.8MW/m2时为单峰谷模式，qave=79.4MW/m2时为双峰模式 。同时，随着热通量增加，沸腾起始时间（tONB）和蒸汽膜形成时间（tFVB）均缩短，且从tONB到tFVB所需时间（ΔtFVB）也明显减少，这表明气泡生长和聚并过程对热通量变化敏感。
气泡演化行为与独特的温度响应特征
研究人员通过实验观察不同热通量下的气泡动态行为，发现当热通量较低（qave=58.9MW/m2）时，加热期间微加热器表面形成的蒸汽膜在加热脉冲结束后很快完全坍塌。而当热通量升高到68.8MW/m2和79.4MW/m2时，蒸汽膜坍塌后约 10μs 内会快速重新形成，即形成第二蒸汽膜（SVF）。SVF 厚度明显比第一蒸汽膜（FVF）薄，其生长局限在微加热器表面附近的薄区域。根据气泡行为演化，加热开始后的传热过程可分为五个阶段：单相传热、孤立气泡成核生长聚并、蒸汽膜形成生长、蒸汽膜收缩坍塌、微气泡冷凝 。不同阶段微加热器的温度响应特征差异显著，温度响应曲线在不同阶段呈现出不同变化趋势，且微加热器温度在阶段 IV 达到峰值。通过定义平均升温速率（Tave=ΔT/Δt）对微加热器不同阶段的温度变化进行定量表征，发现不同阶段和不同蒸汽膜情况下，平均升温速率有所不同，这与气泡的动态行为密切相关。
气泡演化机制的理论分析
研究人员对气泡动态行为和qave=79.4MW/m2时双峰模式的温度响应特征的演化机制进行了深入分析。工作流体首先达到过热状态（T1>100°C），随后过热区域在周向和垂直方向扩大。加热过程中，微加热器表面产生孤立微气泡，它们不断生长、坍塌和聚并，形成覆盖微加热器表面的蒸汽膜。在蒸汽膜形成前，由于水蒸发的潜热，dQevap增加，dQconv,v略有增加，dQconv,1可能下降，微加热器温度上升速率变化不大。蒸汽膜形成后（阶段 III），dQconv,1和dQevap显著下降，dQconv,v增加有限，大部分热量以显热形式存储在微加热器中，导致微加热器温度急剧上升。蒸汽膜生长主要是由于内部蒸汽在高温高压下的膨胀，以及过热区域内过热液体蒸发补充蒸汽相。当蒸汽膜生长到与过热区域大小相当时，周围过冷液体的冷凝作用增强，蒸汽膜内部温度和压力下降，导致蒸汽膜收缩坍塌。蒸汽膜完全坍塌后，大量微气泡迅速成核、生长和聚并，形成 SVF。SVF 形成时，dQevap急剧增加，微加热器温度突然下降。SVF 厚度较薄，一方面是因为 FVF 形成前较长的单相传热过程预热了流体，使过热区域更大；另一方面，先前蒸汽膜的收缩坍塌导致周围液体回流，使微加热器附近流体温度下降，且气泡成核、生长和聚并过程极快，限制了过热区域的大小。SVF 形成后，又会再次局部收缩坍塌，直至整个蒸汽膜完全坍塌。在本研究中，热通量脉冲宽度固定为th=200μs，脉冲加热在 SVF 坍塌阶段结束，之后由于微加热器温度较高，会观察到大量微气泡快速重新生长和聚并，最终微气泡通过冷凝逐渐消失。
初始液体温度对过冷沸腾过程的影响
研究人员研究了初始液体温度（Ta）对过冷池沸腾过程的影响，将Ta分别设置为 26°C、36°C 和 46°C。结果发现，随着热通量增加，tONB显著减小，且Ta越高，tONB越小。在低热通量下，tONB对Ta更敏感，随着热通量增加，这种敏感性降低。Ta对微加热器温度响应曲线也有显著影响，Ta越高，整个脉冲加热期间微加热器温度越高，温度平台期持续时间越长，温度下降延迟，但下降后回升更快，使温度响应曲线的 V 形区域更窄。对于第一蒸汽膜（FVF），Ta越高，从沸腾起始到 FVF 形成所需时间（ΔtFVB）越短，FVF 生长阶段持续时间（ΔtGVB）越长，蒸汽膜尺寸越大，微加热器峰值温度也越高。在较高Ta下，SVF 坍塌后会观察到更均匀分布的 “鱼子酱状气泡成核”，且脉冲关闭阶段气泡成核 - 生长 - 聚并 - 坍塌过程持续时间更长，形成的气泡尺寸更大。
综上所述，该研究通过对微秒脉冲加热下 Pt 薄膜微加热器表面过冷池沸腾的研究，揭示了微加热器温度响应特征与气泡动态行为之间的紧密联系。不同热通量下微加热器呈现出不同的温度响应模式，蒸汽膜的形成和坍塌对温度响应影响显著。较高的Ta会使沸腾起始提前，缩短tONB到tFVB的时间跨度，延长蒸汽膜生长和温度上升阶段，提高微加热器峰值温度。这些研究结果为深入理解微时空尺度下的爆炸沸腾现象提供了重要依据，有助于优化基于微尺度沸腾的散热技术和 MEMS 设备设计，推动相关领域的发展。
