耐久性非氟化随机分级超疏水界面在长期相变冷却中的突破性应用

本文开发了一种六步表面工程策略，制备出具有随机分级结构的非氟化超疏水铜界面（LT-Au-HDPA）。该界面通过激光微加工结合金纳米层和自组装单分子层技术，实现了在长期沸腾条件下超疏水性的稳定保持（460% HTC提升），同时解决了传统超疏水材料在相变冷却中因热-化学-物理应变导致的性能退化问题，为电子器件热管理提供了革新性解决方案。

　　

引言

超疏水性（Superhydrophobicity）作为自然界中极端疏水现象，近年来在液滴操控、抗腐蚀和自清洁等领域展现出重要价值。然而，其在相变冷却（如沸腾传热）中的实际应用长期受限于界面在沸腾条件下的稳定性问题。铜基超疏水界面在长期暴露于去离子水（DI water）沸腾环境时，会因热-化学-物理多重应变导致氧化、涂层降解和形貌变形，最终丧失超疏水特性。

结果与讨论

随机分级超疏水界面的制备

研究团队提出了一种创新的六步表面工程策略：

1. 1.

   激光微加工：采用高峰值能量密度（56 J cm^?2）的纳秒光纤激光在铜表面创建微米级通道（≈10 μm）和叠加的微米/纳米结构（≈1 μm/0.1 μm），形成多尺度粗糙度。

2. 2.

   超声清洗：去除激光加工产生的脆弱结构。

3. 3.

   UV-臭氧活化：生成高能氧化物层以增强后续涂层附着力。

4. 4.

   金纳米层溅射：沉积≈300 nm金层（热导率318 W m^?1 K^?1）防止铜氧化。

5. 5.

   二次UV-臭氧处理：活化金层表面形成AuO_x活性位点。

6. 6.

   十六烷基膦酸（HDPA）自组装：形成非氟化超疏水单分子层，并通过200°C退火强化结合强度。

该工艺实现了接触角167.8°、接触角滞后11.6°的类荷叶效应，且微通道的随机分布（宽深比0.14-0.92）通过毛细力作用实现了气相的高效捕获与再分布。

界面稳定性机制

通过液滴挤压实验证实，界面在410 Pa拉普拉斯压力下仅微米级通道发生Cassie-Wenzel转变，而纳米级结构仍保持气相捕获能力。动态液滴冲击测试（韦伯数We=8.6-105.5）显示，即使在高冲击压力（≈2700 Pa）下，界面仍能通过纳米级Cassie态的自恢复避免完全润湿。这种"准可逆"的润湿行为是长期沸腾稳定的关键。

沸腾传热性能

在去离子水沸腾实验中，LT-Au-HDPA界面展现出：

• •

  超低过热度：气泡核化起始过热度仅3.27 K，较未处理铜表面降低80%。

• •

  超高传热系数：在250 kW m^?2热流密度下，传热系数（HTC）达62 kW m^?2 K^?1，比参照组提升460%。

• •

  长期稳定性：200小时连续沸腾后HTC无衰减，且55次临界热通量（CHF≈950 kW m^?2）循环后接触角仅轻微下降（<5°）。

对比实验显示，传统氟化涂层界面（LT-FDPA）在相同条件下HTC会衰减15.5%，而LT-Au-HDPA的Au纳米层有效阻断了铜氧化（EDS检测氧含量<5 at%）。

极端环境测试

400°C热空气暴露20小时后，界面仍保持>140°接触角，证实其耐高温性能。微通道的随机分布特性使其在热循环中能通过局部气相补充维持核化活性，避免了均匀结构常见的整体失效问题。

结论

该研究通过多尺度界面设计与非氟化分子工程，首次实现了超疏水铜在沸腾传热中的长期稳定性，为电子器件高热流密度冷却提供了可量产的解决方案。其创新性体现在：

1. 1.

   激光加工-金纳米层-有机单分子层的协同防护策略

2. 2.

   随机分级结构对气相动力学的精准调控

3. 3.

   环境友好型非氟化涂层在极端条件下的耐久性验证

这项成果突破了超疏水材料在相变冷却中的应用瓶颈，为下一代热管理系统的开发奠定了理论基础和技术路径。