面向薄膜沸騰傳熱的仿生拓撲表面毛細傳輸研究

楊曉龍 唐 煜 朱 荻

南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，南京，210016

0 引言

沸騰傳熱可充分利用冷卻液潛熱在較小過熱條件下傳遞極大熱量[1-2]，其傳熱系數(shù)比液體對流的傳熱系數(shù)大兩個數(shù)量級，因此在發(fā)電[3-4]、海水淡化[5-7]、供熱及散熱[8]等研究領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價值。

沸騰是包含蒸汽成核、氣泡生長、脫離和沸騰區(qū)重潤濕的連續(xù)物理過程。目前，沸騰傳熱的形式有池沸騰[1，2，4，9-14]、微流道沸騰[15-18]和(毛細供液)薄膜沸騰等[6，19-27]。其中，池沸騰是指高于飽和溫度的熱壁面浸入靜止液體中的沸騰過程，池沸騰壁面產(chǎn)生的氣泡脫離阻力大，氣泡尺寸大于熱邊界層厚度，因此傳熱臨界熱通量較低(小于250 W/cm2)[25]。微流道沸騰的液體在流動時被加熱沸騰，流動液體的擾動可促進壁面氣泡脫離，傳熱效率高，但微流道沸騰需外部動力供液，液體壓降和沸騰傳熱效率難以均衡[28-30]。薄膜沸騰將納米多孔膜作為熱表面，液體流過膜上納米孔后在表面張力作用下形成薄層液膜并被加熱沸騰，薄膜沸騰的液膜厚度小于熱邊界層厚度，當氣泡直徑生長至液膜厚度時，氣泡即與外圍蒸汽接觸后脫離壁面，因此氣泡尺寸始終被限制在熱邊界層內(nèi)，傳熱效率高[25]，并且這種沿多孔膜厚度方向、自下而上的液體傳輸形式的流程短，使得供液阻力小，但納米多孔膜易阻塞，從而影響其使用壽命。而近年提出的毛細供液薄膜沸騰是利用吸液芯結(jié)構(gòu)的毛細力將液體傳輸至熱端形成液膜并實現(xiàn)沸騰傳熱，可在10 ℃的過熱度下實現(xiàn)大于1 kW/cm2的臨界熱通量[19，25]，且無需外部動力供液，因此是微電子和燃料電池等高熱流密度裝備的理想熱管理技術(shù)[3，31]。毛細供液薄膜沸騰的關(guān)鍵是沸騰極限和毛細極限，其中，沸騰極限與表面熱阻(吸液芯厚度)、有效成核位點密度、氣泡脫離阻力有關(guān)，毛細極限由拉普拉斯壓力和液體黏滯阻力決定[19]，而上述五個因素均可通過界面潤濕性調(diào)控和拓撲設(shè)計來優(yōu)化[4]。WEN等[23]利用堿性氧化和化學(xué)刻蝕在銅網(wǎng)表面加工出致密微坑結(jié)構(gòu)，以提高表面潤濕性和毛細極限，并借助微坑提供成核位點，以提高沸騰極限。ZHANG等[19]采用模板法加工出銅反蛋白石多孔結(jié)構(gòu)，并通過增大孔間連接通道直徑來減小液體黏滯阻力和氣泡脫離阻力，進而提高毛細極限和沸騰極限。

綜上可見，國內(nèi)外研究人員已提出多種方法來強化毛細供液薄膜沸騰傳熱。然而，在長距離(供液距離大于10 mm)毛細供液時，毛細極限遠低于沸騰極限，嚴重制約了傳熱性能的提高[19]。本文通過納秒脈沖激光加工的熔凝和相爆炸效應(yīng)在金屬表面直接加工出具有微顆粒結(jié)構(gòu)的亞毫米平行和正交微溝槽陣列，在極小表面熱阻(厚度)下提高毛細極限。此外，受紅瓶子草絨毛跨尺度分層微溝槽結(jié)構(gòu)啟發(fā)，在亞毫米溝槽底部加工次級微溝槽可大幅增大毛細壓力、減小滑移阻力，進一步提高毛細極限，實現(xiàn)毛細供液沸騰傳熱強化，為高性能相變散熱器件的設(shè)計和制造提供科學(xué)基礎(chǔ)。

鈦材具有高強度、低密度等優(yōu)點，選取鈦作為基材可制造出輕質(zhì)、超薄、高強度沸騰傳熱散熱器。鈦材可在保證散熱器強度條件下獲得更大的內(nèi)腔空間來提高相變傳熱能力，因此本文將鈦作為基材進行溝槽加工和毛細傳輸實驗研究。

1 微溝槽激光加工與毛細傳輸分析實驗

1.1 跨尺度超親液分層微溝槽加工

采用紫外納秒脈沖激光加工系統(tǒng)(波長355 nm，重復(fù)頻率100 kHz，脈寬30 ns，束腰直徑約20 μm)在尺寸(長×寬×高)分別為60 mm×30 mm×0.2 mm、60 mm×60 mm×0.2 mm的TA1純鈦表面加工超親液結(jié)構(gòu)。其中，主溝槽激光掃描路徑為交叉填充，填充間距為5 μm。不同的激光加工能量密度通過調(diào)節(jié)平均輸出功率獲得。平行微溝槽陣列的溝槽寬度和間距由掃描路徑設(shè)計確定，寬度和間距的設(shè)計數(shù)值相等，依次為100 μm、200 μm、300 μm、400 μm，表面加工范圍(長×寬)為10 mm×30 mm。正交微溝槽陣列的溝槽設(shè)計數(shù)值與平行微溝槽陣列的設(shè)置相同，表面加工范圍(長×寬)為50 mm×50 mm。溝槽深度由加工次數(shù)控制。

采用平行線填充掃描路徑對溝槽底部進行二次燒蝕，并加工出微米次級微溝槽，獲得仿紅瓶子草絨毛結(jié)構(gòu)的跨尺度超親液分層微溝槽陣列；通過控制激光掃描間距、掃描速度和掃描次數(shù)來控制次級微溝槽的形貌、間距和深度。

1.2 形貌與毛細表征

紅瓶子草照片由配備微距鏡頭(60 mm F2.8 MACRO 2∶1；25 mm 2.8 ULTRA MACRO 2.5-5.0×)的單反相機(700d，Canon)拍攝。所加工結(jié)構(gòu)的微觀形貌利用掃描電鏡(SEM，S-4800，HITACHI)表征，光學(xué)輪廓由光學(xué)顯微鏡(STM7-SFA，OLYMPUS)測量。將加工表面裝夾在XYZ三軸定位平臺的Z軸上，在向下浸入液面瞬間用具有高速攝像功能的數(shù)碼相機(每秒傳輸幀數(shù)1000，RX100M5，Sony)和高速圖像存儲系統(tǒng)(每秒傳輸幀數(shù)1000，Acuteye V4.0)記錄抗重力垂直毛細傳輸過程[23]。將加工表面水平放置，10 μL水滴從20 mm高度處滴落至表面中心，在與表面接觸瞬間用數(shù)碼相機記錄水平毛細傳輸過程[32]，納秒脈沖激光平均輸出功率由激光功率計(Pronto 225，Gentec-EO)測量。

2 結(jié)果與討論

2.1 拓撲設(shè)計

提高毛細極限，實現(xiàn)冷卻液快速、長距離傳輸是實現(xiàn)薄膜沸騰傳熱強化的關(guān)鍵。采用傳統(tǒng)吸液芯結(jié)構(gòu)(如網(wǎng)狀和多孔燒結(jié)結(jié)構(gòu))已難以滿足毛細極限提升需求。生物結(jié)構(gòu)經(jīng)數(shù)萬年進化，能夠適應(yīng)惡劣生存環(huán)境。例如，生活在沼澤地帶的紅瓶子草的開口緣背部生長有“瓶蓋”(圖1a)，瓶蓋表面布滿絨毛結(jié)構(gòu)(圖1b)，該絨毛可捕獲露水、凝結(jié)環(huán)境霧氣，形成水滴后快速傳輸至開口緣并形成超滑液膜，從而捕獲和消化昆蟲。紅瓶子草絨毛預(yù)潤濕后，液體傳輸速度可達11.7±0.7 mm/s，是仙人掌刺結(jié)構(gòu)液體傳輸速度的20倍[33-34]。紅瓶子草絨毛的超快液體傳輸?shù)靡嬗谄浔砻妾毺氐姆謱游喜劢M織(圖1c)。液體接觸絨毛后在次級微溝槽表面形成前驅(qū)液膜，主溝槽內(nèi)的液體與前驅(qū)液膜表面之間黏滯阻力小，故可實現(xiàn)超快速滑動。受紅瓶子草絨毛表面結(jié)構(gòu)啟發(fā)，本文提出采用納秒脈沖激光在金屬表面加工出具有次級微溝槽的跨尺度超親液分層微溝槽陣列，并利用納秒脈沖激光的熔凝和相爆炸效應(yīng)在表面構(gòu)建微顆粒結(jié)構(gòu)，可提高表面潤濕性、增加沸騰成核位點，實現(xiàn)毛細供液薄膜沸騰強化(圖1d)。

(a) 紅瓶子草照片 (b) 紅瓶子草絨毛照片

(c) 紅瓶子草絨毛微觀形貌 (d) 超親液分層微溝槽陣列強化毛細供液薄膜沸騰過程圖1 仿生拓撲超親液結(jié)構(gòu)及其強化毛細供液薄膜沸騰傳熱過程Fig.1 Biomimetic topological superhydrophilic structure and its enhancement of capillary-fed film boiling heat transfer

2.2 納秒脈沖激光加工表面形貌

納秒脈沖激光加工材料過程所包含的物理效應(yīng)主要有熔凝、蒸發(fā)/沸騰和相爆炸(圖2a)[35]。當足夠能量密度的脈沖激光作用于材料時，材料被迅速加熱，溫度依次達熔點、沸點以及0.9倍的材料臨界溫度[36]，由于激光能量密度過大，熱量沉積時間過短(小于100 ns)，導(dǎo)致材料表面氣壓未能建立平衡，材料來不及沸騰并處于過熱狀態(tài)，僅當內(nèi)部氣泡生長至一定尺寸和數(shù)量時才會產(chǎn)生劇烈的相變爆炸，并且爆炸區(qū)會產(chǎn)生蒸汽、液態(tài)/固態(tài)微納米顆粒的混合物[36]。脈沖激光能量為高斯分布，則在光束(x，y)坐標處的激光能量密度I(x，y)可表示為[37]

(1)

其中，xc、yc為光斑中心點坐標；ω0為激光束腰半徑，取ω0為10.0 μm；I0為脈沖激光的峰值能量密度，可表示為

(2)

其中，Ep為單脈沖激光能量，Pa為脈沖激光平均輸出功率，f為激光重復(fù)頻率。根據(jù)式(2)可計算出本文采用的脈沖激光加工峰值能量密度約為12.1 J/cm2。對于鈦材，當脈沖激光能量密度大于8.0 J/cm2時即會產(chǎn)生相爆炸[37]，所以能量呈高斯分布的納秒脈沖激光作用在材料時，激光束腰區(qū)域由內(nèi)到外將同時產(chǎn)生相爆炸、蒸發(fā)、熔凝過程(圖2b，圖中Emax為單脈沖激光能量峰值，e為自然常數(shù))。相爆炸誘發(fā)沖擊波及激光光斑能量高斯分布產(chǎn)生的溫度梯度推動熔融態(tài)金屬流動，向溝槽邊緣堆積，形成邊緣凸起的沉積區(qū)(圖2c和圖2d)，并在表面形成微米級波浪形貌(圖2d)。該形貌可提高表面超親液性，進一步提高表面毛細極限和毛細供液沸騰傳熱性能。

利用納米脈沖激光相爆炸、熔凝和蒸發(fā)效應(yīng)，并結(jié)合光束線性掃描運動，可在金屬表面加工出微溝槽。當溝槽寬度為100 μm時，所加工的微溝槽截面輪廓形狀與高斯分布曲線類似，呈V形(圖2e)；當溝槽寬度為400 μm時，部分熔凝材料堆積在底部，形成截面為倒梯形微溝槽(圖2f)。此外，不同的激光能量密度會產(chǎn)生不同程度的相爆炸、蒸發(fā)和熔凝效應(yīng)。相爆炸物理作用機制復(fù)雜，影響因素多，加工過程中與氣化、熔凝作用相互耦合(中部高能量密度區(qū)為相爆炸效應(yīng)，外部低能量密度區(qū)為蒸發(fā)和熔凝效應(yīng))，形成具有微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的激光加工形貌特征。

如圖3所示，為減小激光掃描路徑對加工結(jié)果的影響，將激光光斑在x、y方向上的間隔均設(shè)為5 μm(激光束腰直徑為20 μm)，使加工區(qū)重疊以均勻地去除材料。采用不同激光能量密度加工的微溝槽微觀形貌如圖4所示。當激光能量密度為6.1 J/cm2時，相爆炸僅集中在激光光斑中部，相爆炸產(chǎn)生的微小沖擊波結(jié)合激光能量高斯分布產(chǎn)生的溫度梯度驅(qū)動熔融態(tài)金屬流動，并形成波浪形微觀形貌(圖4a)[37]。當激光能量密度增大至12.3 J/cm2時，相爆炸效應(yīng)占比提高，相爆炸會濺射出液態(tài)金屬顆粒，并重凝形成直徑為0.5～3.0 μm的微顆粒結(jié)構(gòu)(圖4b)。當激光能量密度為22.3 J/cm2時，相爆炸效應(yīng)更加顯著，表面會產(chǎn)生大量由相爆炸濺射液態(tài)金屬重凝形成的微顆粒結(jié)構(gòu)(圖4c)。繼續(xù)增大激光能量密度至29.7 J/cm2時，相爆炸重凝微顆粒的數(shù)量沒有顯著增加(圖4d)。

圖3 納秒脈沖激光掃描路徑示意圖Fig.3 Schematic of the scanning path for the nanosecond pulsed laser

(a) 能量密度為6.1 J/cm2 (b) 能量密度為12.3 J/cm2

由上述分析可知，低激光能量密度(6.1 J/cm2)產(chǎn)生的相爆炸效應(yīng)不顯著，表面材料以蒸發(fā)和重凝效應(yīng)去除為主，材料的去除率低但去除均勻，可以形成較為平整的溝槽輪廓，適合加工主溝槽，加工獲得的溝槽表面形貌為波浪形，主要由激光能量高斯分布產(chǎn)生的溫度梯度驅(qū)動熔融態(tài)金屬流動所致(圖5a)。高激光能量密度(12.3 J/cm2、22.3 J/cm2、29.7 J/cm2)相爆炸效應(yīng)顯著，表面材料通過相爆炸、蒸發(fā)和重凝效應(yīng)去除，材料的去除率高，但相爆炸產(chǎn)生的沖擊波使材料堆疊形成了大量尺寸為10～100 μm的微凸起和微坑結(jié)構(gòu)(圖5b～圖5d)，且表面布滿相爆炸重凝微顆粒(圖4b～圖4d)。

(a) 能量密度為6.1 J/cm2 (b) 能量密度為12.3 J/cm2

高激光能量密度產(chǎn)生的相爆炸重凝微顆粒可提高表面潤濕性，后續(xù)采用高激光能量密度(22.3 J/cm2)在主溝槽底部構(gòu)建次級微溝槽，以獲得具有次級微溝槽的仿紅瓶子草絨毛的跨尺度超親液分層微溝槽。加工次級微溝槽時，過低的激光掃描速度(50 mm/s和150 mm/s)會導(dǎo)致相爆炸區(qū)重疊，形成不規(guī)則次級微溝槽結(jié)構(gòu)(圖6a和圖6b)。提高激光掃描速度至450 mm/s并掃描加工10次可獲得較好的次級微溝槽(圖6c)，故本文次級微溝槽采用該參數(shù)進行加工(圖7)。

(a) 掃描速度為50 mm/s

(a) 主溝槽微觀形貌 (b) 分層微溝槽微觀形貌圖7 納秒脈沖激光加工的主溝槽及具有次級微溝槽的分層微溝槽微觀形貌SEM圖Fig.7 SEM images of single major microgroove and hierarchical microgrooves with minor microgrooves fabricated by nanosecond pulsed laser ablation

2.3 毛細傳輸特性

長距離(供液距離大于10 mm)毛細供液薄膜沸騰的毛細極限遠低于沸騰極限，嚴重制約了傳熱性能的提高，設(shè)計和加工新型微結(jié)構(gòu)強化毛細傳輸對提高沸騰傳熱性能至關(guān)重要[19]。微溝槽沿程毛細壓力均勻，黏滯阻力小，是理想的毛細供液結(jié)構(gòu)。如圖8所示，采用正交和平行微溝槽陣列可實現(xiàn)各向同性和各向異性毛細傳輸(圖中t為傳輸時間)。各向同性毛細傳輸利于大面積散熱面的均勻供液，而各向異性毛細傳輸可實現(xiàn)條帶狀散熱面的定向供液。

(a) 100±5 μm寬正交微溝槽液體的各向同性毛細傳輸

圖9 微溝槽內(nèi)液體及彎月面三維示意圖Fig.9 3D schematic of liquid and meniscus in microgroove

(3)

其中，θA為微溝槽內(nèi)表面的表觀接觸角，w、h分別為微溝槽寬度和微溝槽深度。忽略流體靜水壓力和空氣壓力影響，彎月面產(chǎn)生的拉普拉斯壓力即為微溝槽內(nèi)流體驅(qū)動壓力Δplap，可表示為

(4)

敞式微溝槽液體流阻Rf可由液體黏度μ、液體傳輸距離l、微溝槽寬度w、微溝槽深度h和溝槽截面形狀修正系數(shù)η(因溝槽截面不是矩形而引入該修正系數(shù))來表示，即

(5)

微溝槽內(nèi)流量qm與驅(qū)動壓力Δplap、流阻Rf的關(guān)系可表示為

(6)

聯(lián)立式(4)～式(6)可得

(7)

解得

(8)

其中，Y為毛細傳輸特性系數(shù)，是衡量毛細傳輸速度的指標，Y值越大，毛細傳輸速度越高，沸騰過程中工質(zhì)供給越快，臨界熱通量越高。對于w=100 μm、h=40 μm微溝槽的毛細傳輸過程，取水表面張力γ=72.0 mN/m，液體黏度μ=0.89 mPa·s、溝槽內(nèi)彎月面接觸角θA=53°、溝槽截面形狀修正系數(shù)η=3.55時，獲得的理論Y值為25.64 mm/s0.5，與實驗結(jié)果具有較好的一致性(圖10a)。對于不同尺寸的微溝槽，其截面形狀和液體填充情況不同，故截面形狀修正系數(shù)η不同，利用式(8)擬合不同尺寸微溝槽陣列毛細傳輸距離l和時間方根t0.5的關(guān)系(圖10a和圖10b)，可獲得η和Y值。研究結(jié)果表明，隨微溝槽寬度減小，毛細傳輸特性系數(shù)Y增大，液體毛細傳輸能力顯著提高；由于正交微溝槽液體傳輸時同時受到流阻Rf和正交溝槽輪廓阻隔，故正交微溝槽陣列Y值小于平行微溝槽陣列Y值(圖10a和圖10b)。

(a) 平行微溝槽陣列(b) 正交微溝槽陣列圖10 微溝槽陣列水平毛細傳輸特性(溝槽深度為40±2 μm)Fig.10 Horizontal capillary liquid transport characteristics of microgroove arrays(depth of grooves is as 40±2 μm)

納秒脈沖激光加工過程相爆炸和熔凝效應(yīng)產(chǎn)生的微顆粒結(jié)構(gòu)顯著提高了加工表面的超親液性，超親液表面聯(lián)合敞式微溝槽拓撲設(shè)計可實現(xiàn)超快毛細傳輸，其傳輸速度明顯高于傳統(tǒng)的網(wǎng)狀和粉末燒結(jié)結(jié)構(gòu)的傳輸速度(圖11)[23，32，39-40]。拉普拉斯驅(qū)動壓力在微尺度下可忽略重力影響，實現(xiàn)大于20 mm距離的抗重力垂直毛細傳輸。如圖12所示，在微溝槽底部加工出次級微溝槽，獲得仿紅瓶子草絨毛結(jié)構(gòu)的跨尺度超親液分層微溝槽，可進一步提高材料表面的毛細傳輸能力。具有寬30 μm、深20 μm次級微溝槽的仿紅瓶子草絨毛跨尺度超親液分層微溝槽的毛細傳輸特性系數(shù)Y比無次級微溝槽結(jié)構(gòu)的毛細傳輸特性系數(shù)Y增大了約15%(圖12a)。高速圖像顯示在毛細傳輸初始階段，仿紅瓶子草絨毛的跨尺度超親液分層微溝槽呈獨特的分層毛細傳輸模式(圖12b)，傳輸時間為2.5 s時爬升高度為26 mm(圖12c)，比無次級微溝槽結(jié)構(gòu)的爬升高度提高了18%(圖12d)。

圖11 本文與不同文獻報道的毛細傳輸特性系數(shù)Fig.11 Capillary liquid transport characteristic coefficients reported in different literatures

3 結(jié)論

(1)表面液體毛細傳輸能力決定核態(tài)沸騰區(qū)工質(zhì)供給是否充分，是影響表面沸騰傳熱性能極限的重要因素。傳統(tǒng)吸液芯結(jié)構(gòu)在長距離(大于10 mm)供液時，毛細極限遠低于沸騰極限，嚴重制約了傳熱性能的提高。納秒脈沖激光加工的相爆炸和熔凝效應(yīng)可在加工表面形成微顆粒超親液結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)聯(lián)合敞式微溝槽拓撲設(shè)計可實現(xiàn)超快毛細傳輸。

(2)基于哈根-泊肅葉管內(nèi)流體模型的Washburn方程不適用于敞式微溝槽液體毛細傳輸特性表征。結(jié)合液體拉普拉斯壓力和敞式微溝槽流阻模型修正Washburn方程，可獲得應(yīng)用于敞式微溝槽的毛細傳輸特性方程。

(3)拉普拉斯壓力在微尺度下可忽略重力影響，實現(xiàn)抗重力(垂直)毛細傳輸。此外，在微溝槽底部加工出次級微溝槽，獲得仿紅瓶子草絨毛結(jié)構(gòu)的跨尺度超親液分層微溝槽陣列，可提高表面毛細傳輸能力，并進一步提高表面沸騰傳熱極限。