《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Acoustic field coupled with hierarchical microstructures for enhanced phase-change thermal management
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•设计了一种分级微针翅表面，用于协同气泡管理与声学匹配。•多尺度形貌重构了气泡形态，显著缓解了声能散射。•声流与毛细润湿耦合，建立了从宏观到微观的液体补给通道。•非线性协同增益实现了临界热流密度（CHF）和传热系数（HTC）的同时提升，分别高达787%和348%。引言在摩尔定
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设计了一种分级微针翅表面，用于协同气泡管理与声学匹配。
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多尺度形貌重构了气泡形态，显著缓解了声能散射。
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声流与毛细润湿耦合，建立了从宏观到微观的液体补给通道。
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非线性协同增益实现了临界热流密度（CHF）和传热系数（HTC）的同时提升，分别高达787%和348%。
引言
在摩尔定律后时代，高性能计算、人工智能处理器和5G/6G通信基站对微型化与集成化的不懈追求，正导致日益严峻的热管理危机[1]。随着晶体管密度逼近原子尺度极限，下一代电子设备中高热通量产生的局部热点对系统可靠性、运行寿命和能效构成严重威胁[2][3]。传统风冷受限于空气的低比热容，单相液冷则受限于显热传递的固有局限，两者均因对流传热系数有限而快速逼近传热极限[4][5]。在此背景下，相变冷却，特别是池沸腾传热，已成为解决高热通量散热挑战最具前景的策略之一[6][7]。通过利用液-汽相变过程中巨大的汽化潜热，池沸腾可在较小的温差下实现高效的热量移除，从而将关键电子元件的结温保持在安全运行范围内[8]。因此，该技术在电子浸没冷却、核反应堆安全系统和航天器热管理等领域展现出不可替代的潜力[9][10]。
对于电子设备的直接接触冷却，介电流体因其优异的电气绝缘性、化学惰性和材料相容性而不可或缺。然而，与水的介电流体通常存在固有的热物理劣势，包括较低的汽化潜热和较低的热导率[11]。这些固有局限导致传统光滑表面上的临界热流密度（CHF）显著降低，传热系数（HTC）受限[12]。在高热通量条件下，快速的汽相积聚、气泡合并和微液层干涸可引发过早的CHF不稳定性，从而严重限制系统在极高功率密度下的安全运行[13]。更重要的是，实现CHF和HTC的同时提升仍然是沸腾传热研究中的核心挑战之一[14]。因此，开发能够补偿介电流体不利热物性并满足极端散热需求的高级强化策略具有重要的科学和工程意义。
近年来，被动表面结构调控和主动外场操纵成为提升沸腾性能的两个主要研究方向。表面工程作为被动强化策略的代表，通过构建微腔[15]、微柱阵列[16]、多孔结构[17]和多尺度微/纳结构表面[18]，已被广泛研究。这些工程化表面可显著增加成核位点密度，扩大有效传热面积，并增强毛细驱动的液体回润能力[19][20]。特别是分级结构因能在多个长度尺度和结构层级上调控气泡成核、脱离和液体传输过程而备受关注，从而部分优化了蒸汽移除与液体补给之间的平衡[21][22]。然而，在高热通量条件下，过度的成核和气泡合并仍可能导致汽膜形成，抑制液体补给并最终引发过早的干涸不稳定性[23]。这些局限性表明，仅依靠被动结构优化不足以从根本上克服CHF限制。
同时，研究人员积极探索主动控制策略，包括声学激励[24][25]、电场[26]和磁场[27]，以动态调控沸腾过程中的界面输运过程。其中，声学激励因其非接触特性、高可控性和易于系统集成而备受关注[28]。声辐射力和声流可激励气泡振荡并促进气泡高频脱离，从而加速汽相结构破碎并增强加热面附近的对流传质[29]。然而，在传统光滑表面上，沸腾过程以随机成核和大量气泡合并为特征，常导致大气泡团簇的形成。这些汽相结构表现出强烈的声阻抗失配，导致入射声能的显著散射和衰减。因此，声辐射力向加热界面的有效传递大幅减弱，导致传热强化效果有限甚至不稳定。因此，仅依靠声学激励仍不足以实现沸腾性能的持续改善。
鉴于单一强化策略的固有局限性，近期研究开始探索将工程化表面与外场结合的混合主动-被动强化策略，以突破沸腾传热的性能极限[30][31]。然而，大多数现有工作仍停留在简单叠加水平，即在单尺度微结构表面上施加声学激励。在这些系统中，由气泡演化引起的声阻抗失配这一根本瓶颈依然存在[32]。在我们之前的工作中[33]，通过将声场与单尺度微针翅表面结合，初步验证了协同沸腾强化的可行性。然而，该系统主要依赖单一特征尺度的微结构来调控气泡动力学。较大的初始气泡脱离尺寸在汽-液界面处产生强烈的声散射，迫使系统依赖高声功率输入以维持与沸腾界面的有效相互作用。这一需求严重制约了声学沸腾强化技术的能源效率和可扩展性。更重要的是，多尺度表面几何与声驱动气泡动力学之间的耦合机制，以及它们对声能传输效率和界面回润能力的影响，仍未得到充分理解。
为解决上述挑战，本文提出了一种将声学激励与分级多尺度微结构耦合的强化策略。通过设计具有多级拓扑特征的分级微针翅表面，可在不同空间尺度上协同调控气泡动力学。工程化结构将大气泡转化为具有显著更高脱离频率的小气泡，从而大幅减少投影汽相面积并缓解声散射损失。同时，激光烧蚀产生的次级毛细结构与声场诱导的宏观声流协同作用，形成跨尺度协同液体传输机制，加速局部干涸区域的强制回润。通过系统的实验表征和高速可视化分析，阐明了该多尺度耦合系统中的非线性协同强化机制。与之前的工作相比，本研究将声-气泡耦合机制从被动界面响应推进到结构引导的协同调控，建立了涉及结构预调控和声学再强化的双重耦合路径。更重要的是，以显著更低的声功率输入实现了与先前报道系统相当的强化效果，表明更高的能源利用效率和更大的工程可扩展性。总体而言，本工作为下一代高功率电子设备和航空航天热控系统提供了一条高性能且可扩展的热管理路径。
章节摘要
表面制备与表征
为系统研究声学激励、多尺度微结构及其耦合效应对池沸腾性能的影响，设计并制备了四种具有不同表面形貌的铝基样品，包括光滑表面（SS）、激光烧蚀表面（LS）、微针翅表面（MPF）和分级激光烧蚀微针翅表面（HPFL）。
SS表面通过对铝基底进行顺序机械抛光制备。
无声学激励下的被动沸腾性能
为区分不同微结构表面的固有传热特性，首先系统研究了无声场条件下四种表面的池沸腾性能。图5总结了所有测试表面在无声学激励下的综合被动沸腾性能。
图5A展示了各表面在30 K、20 K、10 K和0 K过冷度下的沸腾曲线。在所有过冷条件下，三种
结论与展望
提出了一种将声学激励与分级微结构表面耦合的协同强化策略。通过精密数控加工与纳秒激光烧蚀相结合的混合工艺，制备了四种代表性表面构型（SS、LS、MPF和HPFL）。通过整合传热测量、高速可视化和毛细润湿表征，阐明了分级被动结构与主动声学
CRediT作者贡献声明
蒋卓业：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，可视化，验证，软件，方法论，调查研究，形式化分析，数据管理，概念构思。卜世超：调查研究，形式化分析，概念构思。牛梦方：形式化分析。郑帅：调查研究。杨小平：验证，监督，资源，项目管理，方法论，资金获取，概念构思。张永海：形式化分析，概念构思。魏金佳：
利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本研究由国家自然科学基金委员会资助（项目编号：52476090）。
蒋卓业|卜世超|牛梦方|郑帅|杨小平|张永海|魏金佳
