《International Journal of Thermal Sciences》：Enhanced pool boiling heat transfer rates on graphene nanoplatelets coatings
编辑推荐：
石墨烯纳米片涂层上的强化池沸腾传热速率
•低温滴涂法制备了多孔石墨烯纳米片（graphene nanoplatelets, GNPs）涂层。
•这些涂层显著提高了沸腾传热系数（boiling heat transfer coefficient, BHTC）。
石墨烯纳米片涂层上的强化池沸腾传热速率
•低温滴涂法制备了多孔石墨烯纳米片（graphene nanoplatelets, GNPs）涂层。
•这些涂层显著提高了沸腾传热系数（boiling heat transfer coefficient, BHTC）。
•Hsu分析证实了涂层表面的成核活性增强。
•临界热流密度（critical heat flux, CHF）的降低与蒸汽拥挤及涂层热阻相关。
•涂层表现出良好的耐久性，在一周的老化测试中保持了沸腾性能。
池沸腾传热作为一种具有极高传热系数的被动冷却方式，在电子器件冷却、数据中心服务器热管理等领域具有广泛应用前景。表面与流体之间的相互作用对沸腾传热性能影响显著，而表面涂层是调控这种相互作用的有效途径之一。石墨烯因具有超高的导热系数，理论上是一种理想的涂层材料，但目前在池沸腾传热领域的研究尚不充分。同时，传统介电冷却液如含氟化合物（FC、HFE系列）因属于全氟或多氟烷基物质（PFAS）正面临环境法规限制，开发环保且性能优异的新型介电流体成为趋势。本研究采用的新型共沸流体Promosolv-DR3（热物性与HFE7100相同，饱和温度61°C，臭氧消耗潜值为0，全球变暖潜值低）被视作有前景的替代工质。然而，此类高润湿性流体极易淹没表面空腔，抑制气泡成核，其与石墨烯基涂层的耦合沸腾行为此前缺乏定量研究。此外，现有石墨烯涂层制备技术（如化学气相沉积、溅射等）工艺复杂且成本高昂，部分方法需高温处理，不利于规模化应用。因此，本研究旨在开发一种简单、低成本、可扩展的低温滴涂法制备石墨烯纳米片（graphene nanoplatelets, GNPs）涂层，并系统评估其在Promosolv-DR3中的池沸腾传热强化效果、临界热流密度（critical heat flux, CHF）演变机制及长期稳定性。
研究人员采用低温滴涂法在铝基板上制备了三种不同厚度的多孔GNPs涂层，分别对应滴涂悬浮液体积1 mL、3 mL和5 mL。通过扫描电子显微镜（SEM）和白光干涉仪（WLI）表征了表面形貌与粗糙度；利用接触角测量分析了润湿性；通过毛细芯吸实验测定了液体输运特征。随后在饱和池沸腾条件下（1 atm，饱和温度61°C）对未涂层和涂层表面进行了系统实验，热流密度由铜柱量热法获取，表面温度通过热电偶外推得到，气泡动力学由高速相机记录。此外，采用Hsu判据对活性空腔尺寸进行了定量分析，并通过长达6个月及一周的连续老化测试评估了涂层耐久性。
结果显示，涂层表面呈多尺度粗糙形貌，平均粗糙度（Ra）较未涂层表面（0.22 μm）提高约两个数量级（10–13 μm），表面分布大量纳米至微米级空腔，但孔洞连通性差，毛细芯吸能力较弱（最大芯吸长度1.0–1.8 mm）。接触角测量表明，未涂层表面静态接触角约10°，而所有涂层表面均完全润湿（0°），呈超亲水特性。沸腾曲线显示，所有涂层均显著降低了沸腾起始（ONB）过热度，从未涂层的约22 K降至7–10 K。在传热性能方面，1 mL涂层表面在所有热流下均表现出最高的整体沸腾传热系数（BHTC）增强，增强幅度随热流从约660%逐步降至接近CHF时的约180%；3 mL和5 mL涂层增强幅度分别为1.2–5.1倍和1–2.9倍。值得注意的是，所有涂层表面的CHF均低于未涂层表面（25.2 W/cm2），分别为未涂层的0.86倍（1 mL）、0.96倍（3 mL）和0.82倍（5 mL）。高速可视化显示，涂层表面具有更高的成核位点密度，气泡合并发生得更早，这与其多孔结构和更大粗糙度直接相关。Hsu分析进一步证实，在给定壁面过热度下，涂层表面的活性空腔尺寸范围（约0.9–25 μm）远大于未涂层表面，从而激活更多成核位点，这是BHTC增强的主要机制。关于CHF退化，理论分析表明，润湿性差异和毛细芯吸对CHF的贡献极小（分别约1%和3%），而涂层附加的导热热阻可解释5%–17%的CHF降低。对于3 mL表面，热阻导致的CHF下降（约8%）与毛细芯吸带来的约3%增强相互竞争，可基本解释实验观测到的约4%降低；对于5 mL表面，热阻预测与实验值吻合。而1 mL表面额外的CHF降低（约9%）则归因于过高的成核密度导致近壁面蒸汽拥挤，加剧气泡合并与覆盖，阻碍液体回补，从而提前触发不可逆干斑形成。
长期老化测试表明，3 mL涂层在6个月后重复沸腾曲线与初始几乎重合，BHTC偏差小于10%，CHF降低约18%可能归因于环境储存引起的污染；一周连续沸腾测试（每日8小时，变热流）中性能变化小于5%，表面形貌变化极小。1 mL涂层在一周测试中沸表面温度波动仅±0.3°C。这些结果证明涂层具有良好的稳定性与耐久性。与文献中其他微纳多孔涂层相比，本研究中1 mL和3 mL涂层的BHTC增强比落在文献报道范围内，而CHF增强比则普遍低于多数文献数据，表明通过优化涂层厚度与孔结构有望实现BHTC与CHF的协同提升。
综上，研究人员通过低温滴涂成功制备了多孔GNPs涂层，显著强化了池沸腾传热，主要归因于活性成核位点密度的增加；CHF的降低由涂层导热热阻和蒸汽拥挤两种机制主导；涂层在长期测试中表现出优异的性能稳定性。该研究为低成本、可扩展的表面工程技术提供了新思路，对下一代高效两相冷却系统（如高功率电子设备散热）具有重要参考意义。未来工作将聚焦于优化涂层孔隙率和渗透性，以同时提升BHTC和CHF，并进一步评估涂层在真实热循环工况下的机械强度与附着力。
