基于骨启发的梯度毛细结构增强液膜沸腾传热性能

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Enhancing the liquid film boiling heat transfer performance via bone-inspired gradient capillary structures

　　

•受骨骼结构启发，实现汽液协同调控。•极高的液膜沸腾热性能：临界热流密度（CHF）达170.95 W/cm2，传热系数（HTC）达276.5 kW/(m2·K)。•梯度孔隙与化学刻蚀纳米线增强了毛细力和气泡动力学。•在高温热流、受限空间及抗重力环境中仍保持高效传热。

引言

人工智能[1]、人形机器人[2]、[3]及航空航天[4]等领域中的电子元件正经历向微型化和集成化的深刻变革[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。其运行环境正日益向极端条件演变，表现为超高热流密度（>160 W/cm2）[14]、[15]、[16]、受限散热空间[17]、[18]、[19]、[20]以及抗重力运行[4]。毛细驱动液膜沸腾结构能够在抗重力条件下的受限空间内实现高效传热，因此是各种超薄和高集成度热管理设备（如超薄均热板（UTVC，<3 mm，图1(A)）、环路热管）[21]、[22]、[23]中的关键部件。

临界热流密度（CHF）和传热系数（HTC）是定义和决定结构整体热性能的关键参数[8]、[24]、[25]。然而，毛细驱动液膜沸腾结构仍面临一个基本的性能制约，源于液体供给与蒸汽逸出的内在竞争[26]、[27]。具体而言，实现高HTC需要较低的壁面过热度以促进有效的核态沸腾，但这种低过热度同时也加剧了蒸汽的生成。相反，获得高CHF则依赖强毛细力，这通常通过更致密的多孔结构实现，而致密结构不可避免地增加了蒸汽流动阻力。在超高热流密度下，蒸汽的快速生成和积聚可能阻塞液体传输通道，导致局部干涸并最终造成加热表面传热失效。因此，毛细驱动液体供给与蒸汽流动阻力之间的固有冲突，仍然是极端工况下同时提升CHF和HTC的主要瓶颈。

在毛细驱动液膜沸腾过程中，电子元件产生的热量通过汽液界面处的毛细蒸发和液膜内动态气泡的核态沸腾的协同效应得以耗散[28]（图1(B)）。因此，优化液膜沸腾结构的设计以实现液体传输与气泡行为的协调调控至关重要。当前研究聚焦于通过固液界面表面改性来优化液膜沸腾过程中的汽液相互作用[29]、[30]、[31]。迄今为止，主流表面改性方法已被广泛研究并被证明非常有效。例如，通过电沉积[32]、化学刻蚀[33]、机械加工[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、激光加工[39]和蒸镀等方法制备的表面形貌——包括翅片[40]、微柱阵列[41]、[42]、多孔泡沫[43]、[44]和纳米线[45]——已被证明能显著增强毛细性能和润湿性[46]、[47]。例如，先前的研究表明，微结构表面（如微柱阵列和微腔结构）主要通过增加活跃核化点、促进气泡生成以及扰动热边界层来增强沸腾传热。然而，这些结构主要关注界面沸腾增强，而在超高热流密度条件下同时调控液体补充和蒸汽排出仍然具有挑战性[48]。近期的研究表明，纳米结构表面能够通过调控表面形貌、润湿性和气泡核化行为来有效改善沸腾传热。特别是基于纳米线的架构受到了广泛关注，因为它们的高密度纳米级结构能够提供丰富的活跃核化点并增强毛细驱动的液体补充，从而在高温热流密度条件下提高沸腾性能[49]、[50]。然而，致密的纳米结构虽然增强了毛细吸附，但也显著增加了结构内部蒸汽积聚和传输的阻力，在高温热流密度下容易导致局部蒸汽堵塞，从而限制了传热的进一步增强[26]。为缓解这一汽液传输冲突，分级或梯度结构设计引起了越来越多的关注。通过构建具有不同孔径或孔隙率的多层结构，旨在为液体供给和蒸汽排出提供独立的通道。例如，受植物木质部的启发，Wu等人利用激光加工制造了具有梯度微通道的多层级结构，通过调控液体供给路径改善了抗重力性能。然而，他们的设计中蒸汽逸出仍然依赖于结构内部迂曲互连的微孔网络，未能建立专用的低流动阻力通道[51]。Long等人采用纳秒激光在铜基板上创建了兼具高毛细力和高渗透性的深V形微槽的多孔结构，并将其组装成低热阻均热板[35]。Li等人设计了一种带有V形梯度通道的网状毛细结构，以引导蒸汽汇聚和定向排出，取得了显著的性能提升。然而，此类设计中上下层之间的界面连接可能损害汽液传输的连续性和稳定性。此外，毛细功能和渗透功能的分离仍然局限于局部，未能在全结构范围内建立真正一体化的低阻力定向蒸汽排出路径[27]。总之，现有的分级或梯度结构仍然主要依赖内部互连的迂曲孔网络进行蒸汽排出，难以形成真正低阻力的定向蒸汽排放通道。同时，多层之间的界面问题也容易破坏汽液传输的连续性和动态稳定性，限制了其在极端高热流密度和抗重力条件下的可靠性和性能的进一步提升[52]。尽管分级多孔吸液芯、梯度网状结构和纳米结构毛细表面已被广泛研究，但在毛细驱动液膜沸腾中对液体补充、气泡核化和蒸汽排出的耦合调控仍然具有挑战性。纳米结构表面可以改善润湿性并增加核化点密度，但随之而来的孔隙开放度降低可能会在高温热流密度下增加蒸汽流动阻力。梯度或分级吸液芯可以部分平衡毛细压力和渗透性；然而，许多设计中的蒸汽释放仍然依赖于迂曲互连的孔隙或局部通风通道。因此，构建一种连续的毛细结构，同时提供强液体供给、高效核化激活和低阻力蒸汽排放，对于稳定高温热流密度液膜沸腾仍然至关重要。

在人骨中，从致密的皮质骨到多孔的松质骨存在孔隙梯度，为物质传输提供了宏观路径。同时，一个由哈弗斯管和沃尔夫曼管形成的主管道网络以及遍布松质骨的微血管网络构成的三维多尺度传输系统，协同实现了高效的血液灌注和代谢物清除[53]、[54]（图1(C)）。受此架构启发，设计并制造了一种骨骼启发的梯度复合毛细结构（BGCS），该结构集成了骨骼的孔隙梯度特征以及类似于哈弗斯管-沃尔夫曼管系统的分级传输通道特性（图1(D)）。BGCS通过将铜网按梯度分层堆叠构建，沿厚度方向形成孔径增大的系统。底部细网层与其表面上通过表面改性工艺原位生长的纳米线相结合（图1(E)和图1(F)），模拟了松质骨内部的致密微孔和微血管网络，增强了毛细力以确保持续的液体供给。顶部粗网层对应于骨骼中的主引流管道（哈弗斯管和沃尔夫曼管），为气泡脱附、蒸汽汇聚和蒸汽排出提供了低阻力定向通道。通过梯度孔隙分离汽液路径以及优化毛细作用和核化的微纳米复合表面，该设计模拟了骨骼中"吸收-生成-维持"的动态代谢协同作用。因此，BGCS在单个烧结多孔骨架内建立了跨尺度的功能分区。靠近热源处的细网/纳米线改性区域作为主要的毛细补充和核化激活层，而朝向蒸汽侧的粗网区域则为气泡脱附、蒸汽汇聚和蒸汽排放提供了更开放的通道。该架构将厚度方向上的孔隙梯度设计与表面微纳米结构化相结合，使液体供给、核化行为和蒸汽传输能够在空间上协调调控。这种设计与传统的梯度网状吸液芯或表面改性网不同，它在同一集成吸液芯的不同结构尺度上分配了不同的传输和相变功能。在10 × 10 mm2的加热面积下，所制备的结构实现了170.95 W/cm2的CHF和276.5 kW/(m2·K)的最大HTC。这些结果表明，在基于网的毛细驱动液膜沸腾吸液芯中，其传热性能具有竞争力，如图1(G)所示。

基于该结构，从三个方面进行了研究。首先，采用红外毛细上升测试来定量表征不同网组合及其经表面改性添加纳米线后的毛细性能，阐明梯度排列和表面纳米化对液体传输能力的协同效应。其次，通过结合高速可视化与沸腾传热实验，研究双网数梯度多孔结构的空间布局如何影响气泡动力学和沸腾传热过程，并比较不同梯度组合的CHF和HTC性能。最后，深入研究了梯度层分布与表面纳米结构之间的跨尺度协同相互作用，定义其在调控液膜稳定性、气泡脱附频率和整体传热性能方面的作用。本研究旨在为开发面向极端高热流密度和抗重力条件的超薄相变传热元件提供设计指导和实验支持，从而推动人工智能、人形机器人和航空航天领域中电子元件向更高集成度和可靠性发展。

材料片段

本研究中使用的主要试剂和材料如下。化学试剂包括：氢氧化钠（分析纯，天津市富晨化学试剂有限公司）、过硫酸钾（西陇科学股份有限公司）、盐酸（深圳市必达环保科技有限公司）、无水乙醇（天津大茂化学试剂厂）、丙酮（广东光试剂技术公司）以及电导率≤0.50 mS/m的去离子水（广东光试科技）。

研究BGCS的抗重力液体传输能力

为满足高温热流密度和抗重力条件下超薄相变传热元件对液体回流的严格要求，对所制备的BGCS的液体传输性能进行了评估。利用红外热成像毛细上升测试平台，对W1-W5系列（未改性复合吸液芯）和NW1-NW5系列的毛细性能进行了表征。各样本的具体网堆叠配置如图5(A)所示，其中不同的

结论

为解决人工智能和航空航天等领域电子设备在超高热流密度、空间受限散热空间和抗重力运行等极端条件下的热管理挑战，本研究受人类骨骼的多尺度梯度孔隙和高效物质传输机制启发，提出并制造了一种BGCS。通过不同网数的铜网梯度堆叠和原位生长纳米线，构建了一种高性能梯度

CRediT作者贡献声明

钟一林：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，可视化，方法论，概念构思。杨舒：写作——初稿撰写，数据整理，概念构思。陶博宇：写作——初稿撰写，可视化，数据整理，概念构思。吴晓华：可视化，数据整理，概念构思。张浩：写作——初稿撰写，可视化，概念构思。杨远凯：写作——初稿撰写，方法论，概念构思。卢龙生：方法论。

利益冲突声明

作者声明他们不存在任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能影响本论文所报告的工作。

致谢

本研究得到国家重点研发计划（编号：2020YFB1711300）、国家自然科学基金（编号：52275425，编号：51905178）、广东省自然科学基金（编号：2021B1515020087，编号：2025A1515011331）以及中央高校基本科研业务费（华南理工大学）的资助。

钟一林 | 杨舒 | 陶博宇 | 吴晓华 | 张浩 | 杨远凯 | 卢龙生 | 谢盈希