综述：润湿界面用于沸腾传热强化：动态机制与设计策略综述

《ADVANCES IN COLLOID AND INTERFACE SCIENCE》：Wetting interfaces for boiling heat transfer enhancement: A review of dynamic mechanisms and design strategies

　　

**摘要**

润湿界面被广泛用于强化沸腾传热，但其性能无法仅由静态接触角、表面粗糙度或成核点密度来解释。关键在于协调汽核活化、气泡脱离、液体补充、蒸汽排出和表面重新润湿等不同热流密度区间内的过程。本综述将润湿界面的沸腾强化视为一个动态界面调控问题，并将沸腾起始点（ONB）、传热系数（HTC）、临界热通量（CHF）和莱登弗罗斯特点（LFP）与其主导的界面过程联系起来。重点讨论了残余汽核稳定性、动态接触线运动、微液层蒸发、干斑演化、毛细补充、蒸汽逃逸以及高温下的液体重新润湿。随后对代表性策略进行了综述，包括异质润湿性、分级微/纳结构、多孔吸液网络和分离的液-汽传输路径。分析表明，低过热度沸腾起始、高效核态沸腾、干涸抗性和蒸汽膜失稳由不同但强耦合的机制所控制。基于功能分区、尺度匹配、液-汽路径解耦和多指标评估的统一设计框架被提出，用于开发具有宽广稳定运行窗口的高性能沸腾界面。

**引言**

高功率电子设备、数据中心、电动驱动和储能系统以及航空航天设备的快速发展不断推高局部热通量，使传统单相冷却逼近其实际极限 [1], [2], [3]。因此，在空间受限、高热通量和强非均匀热边界条件下实现高效、可控和稳定的界面传热，对系统性能、安全性和可靠性至关重要 [4]。先进制造中的局部界面也经常暴露于瞬态高热通量和陡峭温度梯度下，进一步凸显了对先进热管理技术的需求 [5], [6]。

在相变传热模式中，沸腾通过液-汽相变快速移除热量，能够提供远超单相对流的传热系数以及高临界热通量。因此，它是高热通量热管理的关键方法，已广泛应用于蒸汽发电、制冷循环、海水淡化和电子设备冷却。然而，在高热通量和复杂边界条件下，沸腾界面容易产生热点、局部干涸、蒸汽覆盖和传热不稳定 [7]。这些失效模式有一个共同的根源：在固-液-汽三相界面附近维持液体补充、界面更新和蒸汽排出之间动态平衡的困难。

微/纳加工和材料科学的进步为沸腾的界面控制开辟了新的途径 [8], [9]。微/纳结构表面可以通过提供适当尺寸的成核空腔、增强毛细抽吸和定制液-汽传输路径，从而促进汽核活化、液体补充和蒸汽排出，提高核态沸腾传热系数和临界热通量 [10], [11]。表面润湿性进一步通过改变三相接触线运动、液体铺展阻力和局部蒸汽占据度来调节汽核保留、气泡脱离、液体补充和干斑重新润湿 [12], [13]。Jo 等人 [14] 表明，润湿性对沸腾性能的影响显著且强烈依赖于热通量区间。高润湿表面通常促进液体铺展和干区重新润湿，并稳定高热通量下的液-固接触，但可能在低热通量下抑制成核活性。相比之下，低润湿表面降低了沸腾起始所需的过热度，促进了低热通量下的气泡产生，但在高热通量下更容易出现气泡滞留、聚并和蒸汽覆盖。由低润湿斑块分布在高润湿背景上组成的异质润湿表面，可以在局部成核增强和背景液体供应之间实现部分协调，但其性能仍然对斑块尺寸、面积分数和间距敏感。因此，均匀润湿或非润湿表面不太可能同时优化沸腾起始点、传热系数和临界热通量。异质润湿性和分级结构化因此成为协调成核、界面更新和沸腾不稳定抗性的的重要途径。然而，这些性能指标背后的主导界面机制不同，仍有待在一个统一框架内加以阐明。

按照这一协同设计理念，能够联合调节表面形貌和润湿性的微/纳结构界面得到了广泛开发 [15], [16]。从均匀润湿性到双亲和图案，从单层结构到分级微/纳结构，再到梯度界面和具有分离液-汽路径的多孔架构，已发展出广泛的策略来促进成核、增强液体补充、促进蒸汽排出和抑制干斑扩散 [17]。同时，以往综述已从表面类型 [18], [20]、制备方法 [21], [22] 和静态润湿参数 [23] 等角度系统总结了池沸腾强化，为理解表面结构和润湿状态如何影响沸腾性能提供了重要基础。然而，现有研究和综述仍然主要按照表面构型或强化策略进行组织，在不同的润湿界面与支配不同沸腾区间的动态过程之间仍缺乏系统性的机理解释，包括汽核活化 [20]、气泡生长与脱离 [24]、接触线运动 [25]、液体补充 [26]、蒸汽排出 [27]、干斑重新润湿 [28] 以及高温蒸汽膜失稳 [29]。重要的是，类似的表观润湿状态可能由于结构尺度、热通量和界面相占据度的不同而产生不同甚至相反的沸腾响应，而沸腾起始点、传热系数、临界热通量和莱登弗罗斯特点的改善并非源自同一主导机制。因此，仅以静态接触角、表面粗糙度、成核点密度或结构类型来评估强化程度仍然不足以解释已有结果的差异，也无法建立沸腾性能指标与其主导界面过程之间的统一关系。

基于这一认识，润湿界面的沸腾强化被重新构建为一个由润湿状态、微/纳结构拓扑和热边界条件共同支配的动态界面调控问题。本综述不再主要按类型或结构对表面进行分类，而是聚焦于与沸腾起始过热度（ΔT_ONB）、传热系数（HTC）、临界热通量（CHF）和莱登弗罗斯特点（LFP）相关的主导界面过程。较低的沸腾起始过热度反映汽核活化更容易，而高传热系数则依赖于微观蒸发、气泡脱离和重新润湿；两者均不必然保证高热通量下持续的液体供应。临界热通量和莱登弗罗斯特点分别表征与不可逆干斑扩散和稳定蒸汽膜形成相关的不稳定边界，仅提升其中一项并不保证在宽广热通量范围内达到最优性能。相应地，本综述首先建立固-液-汽润湿、成核热力学、局部传热和液-汽传输的基础理论，并将沸腾起始点、传热系数、临界热通量和莱登弗罗斯特点映射到其关键界面过程。随后围绕成核启动、界面更新、液-汽协调传输和高温不稳定抗性组织润湿策略，涵盖超亲水/多孔结构、分级微/纳结构、双亲和和梯度界面以及具有分离液-汽路径的多孔界面。进一步探讨了这些机制之间的耦合与权衡，提出了基于功能分区、尺度匹配、液-汽路径解耦和协调多指标评估的设计框架。最后，从理论建模、界面表征和工程实施等方面讨论了未来方向，为在宽广热通量范围内实现可控沸腾界面设计提供了机理基础和评估框架。

**各章节摘要**

**界面润湿理论：从静态到动态**

润湿性源于液相、固相和汽相之间的界面自由能平衡。尽管通常以接触角表征，但界面行为由表面化学、结构拓扑和接触线响应的共同作用决定 [30]。实际工程表面通常表现出粗糙度、化学非均匀性、气体捕获和局部接触线钉扎。因此，其润湿行为需要在三个层面来理解：本征润湿性、……

**基于沸腾界面行为的润湿设计策略**

前述分析表明，沸腾强化并非由静态接触角或某种特定微/纳结构单独控制，而是通过润湿状态、结构拓扑和热边界条件的协同作用，对汽核活化、气泡脱离、界面更新、液体补充、蒸汽排出和高温脱润湿不稳定性进行协调调控的结果。因此，本章按以下方式组织设计策略：……

**结论与展望**

润湿界面的沸腾强化研究正从静态表面修饰转向动态界面调控。本综述考察了固-液-汽界面上的成核启动、气泡脱离与界面更新、液体补充与液-汽协调传输以及高温不稳定抑制。阐明了润湿性、微/纳结构和液-汽路径设计如何影响沸腾起始点、传热系数、临界热通量和莱登弗罗斯特点。在此基础上……

**CRediT 作者贡献声明**

杜志才：撰写初稿。苏泽斌：调查研究。周涛：监督指导。田鹏飞：概念构思。杨金斗：方法论。邓静：调查研究。何林：撰写——审阅与编辑。

**未引用参考文献**

[19], [101], [110], [125], [136], [137], [142], [145], [146], [147], [153], [159], [175], [211], [214], [222], [231], [249], [259], [260], [269], [273], [274], [277]

**利益冲突声明**

作者声明不存在可能影响本文工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

所有作者已批准该手稿并同意投稿。作者进一步确认，研究是在不存在任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行的。

杜志才 | 苏泽斌 | 周涛 | 田鹏飞 | 杨金斗 | 邓静 | 何林

贵州大学，机械工程学院，贵阳 550025，中国