杨荣贵教授团队Joule综述：功能化纳米线结构表面驱动高效汽液相变传热

【前言】

《黄帝内经》有云：“故清阳为天，浊阴为地；地气上为云，天气下为雨；雨出地气，云出天气”，直观地描绘了大自然中气液相变过程引起的地表水-汽循环及气象转换。《淮南子·说林训》记载：“山云蒸，柱础润”，形象地描述了生活中常见的汽-液相变中的界面润湿现象。与此同时，汽液相变现象，如蒸发、沸腾和冷凝，作为高效的传热形式被广泛地应用于石油化工、热电厂、核工业、水淡化和回收、制冷与环境控制、以及电子产品散热等工业领域中。开发高效的汽液相变传热技术对于解决高热流散热和降低能源消耗均具有极其重要的意义。通常汽液相变传热过程涉及奇妙而又复杂的气液固界面润湿现象，这与相界面的物理化学性质息息相关，对宏观能量传递效率产生显著的影响，是相变传热过程的重要驱动力。因此，通过对固体表面形貌和物理化学性质的调节，可以更好地控制固液界面和气液界面的相互作用和演化，从而实现汽液相变传热过程的整体强化。

随着近年来微纳米结构材料及功能性涂层的快速发展，汽液相变传热强化成为了能源技术领域的研究热点。特别是纳米线结构表面具有精确可控的结构形貌，可实现对汽液相变过程的界面演化进行优化控制，这为研发高效、紧凑的相变传热强化技术提供了新的机遇。为了系统地理解汽液液相变传热过程的基本机制及其强化传热机理，美国科罗拉多大学杨荣贵教授团队近日受邀为国际顶级能源期刊Joule撰写了题为“Liquid-vapor phase-change heat transfer on functionalized nanowired surfacesand beyond”的综述文章（DOI:10.1016/j.joule.2018.08.014）。该综述基于汽液相变传热中核状沸腾和滴状冷凝两个典型的过程，以功能性纳米线结构表面为对象，分别从纳米线表面制备及改性、气泡/液滴的润湿行为及界面演化、汽液相变传热特征及强化策略等方面进行了系统地论述，并对其他功能表面和强化策略方面的最新进展进行了全面地阐述，最后对相变传热强化技术尚存在的挑战和未来的发展进行了深入地探讨与展望。该综述为相关领域的研究者和对该技术感兴趣的公众提供了一个快速掌握相变传热技术进展及未来发展趋势的参考。

【内容简介】

1. 汽液相变传热的基本介绍

对于汽液相变过程而言，通常涉及新相的形成（核化）、生长、合并和脱离，这些子过程均与固体表面的物理化学性能紧密相关（图1）。本文以水蒸气的相变过程为例，介绍相变传热中固体表面与新相（气泡/液滴）的相互作用及其对传热性能的影响。比如在蒸汽冷凝中，当固体表面温度低于蒸汽温度（表面过冷度）时，蒸汽会在固体表面发生异相核化形成冷凝液。对于亲水表面而言，冷凝液易于在固体表面铺展开，形成连续的冷凝液膜；而对于疏水表面，冷凝液与固体表面的接触线倾向于向内收缩，形成分散的冷凝液滴。当微纳米结构被引入到固体表面时，表面的亲水和疏水性能被“强化”，表现为亲水表面更亲水（超亲水），疏水表面更疏水（超疏水）。需要特别指出的是，由于微纳米结构的存在，液滴会在超疏水表面上表现出两种不同的润湿模式：1) 液滴悬挂在结构顶部，即Cassie状态；2) 液滴浸入结构内部，即Wenzel状态。

图1. 固体表面气泡/液滴的润湿行为。光滑表面与结构表面上气泡（A,B,E,F）与液滴（C,D,G,H,I）的静态润湿形态以及气泡（J,K,N,O）与液滴（L,M,P,Q,R）的动态润湿行为。

图2. 核状沸腾与滴状冷凝传热曲线（传热通量vs. 表面过热度/过冷度）。固体表面微纳米结构对核状沸腾（A）和滴状冷凝（B）传热性能的影响。

在核状沸腾传热中，临界传热通量（CHF）和传热系数（HTC）分别代表了最大传热能力和最高传热效率。与光滑表面相比，微纳米结构可以有效降低气泡核化所需的表面过热度、提高临界传热通量和传热系数（图2A）。然而，如何在同一个表面上同时改善以上各项传热性能仍然存在巨大挑战。与蒸汽在亲水表面的膜状冷凝相比，疏水表面上的滴状冷凝模式具有高出一个数量级的传热效率。而具有微纳米结构的超疏水表面可以进一步改善冷凝液滴动态行为，使得水滴极易从表面滑落，即“荷叶效应”。更为有趣的是，超疏水表面上小液滴之间的合并可以诱发液滴自发弹离表面，从而为蒸汽冷凝传热强化提供了新思路。然而，在高热通量（大过冷度）的蒸汽冷凝环境中，大多数的超疏水表面的“荷叶效应”均失效，这严重制约了超疏水表面在强化冷凝传热中的应用（图2B）。

2. 用于相变传热强化的纳米线表面的制备及改性

硅基纳米线具有与电子元器件直接集成的巨大优势，且存在成熟的制备工艺，可实现不同结构形貌的精确控制，被广泛地研究用于相变传热强化来开发高效散热元件。图3展示了几种典型的用于相变传热强化的硅基纳米线，其中包括单一的纳米线阵列和复合微纳米结构阵列。

与硅基纳米线表面相比，金属纳米线表面，比如铜和金，具有更高热导率和热稳定性，广泛地被用于提高核状沸腾和滴状冷凝传热性能。图4展示了几种典型的用于相变传热强化的金属纳米线表面，包括单一的纳米线阵列和具有微纳米复合结构的纳米线阵列。

图3. 用于强化核状沸腾和滴状冷凝传热的硅基纳米线结构表面。（A）随机排列的硅纳米线阵列；（B）规则排列的硅纳米线阵列；（C）具有波纹结构的硅纳米线阵列；（D）锥形硅纳米线阵列；（E）具有微沟槽结构的硅纳米线阵列；（F）具有金字塔形微结构的复合纳米线表面。

图4. 用于强化核状沸腾和滴状冷凝传热的金属纳米线结构表面。（A）随机排列的铜纳米线；（B）紧密排列的金纳米线；（C）具有高径比紧密排列的铜纳米线；（D）具有凸起结构的三维铜纳米线网络；（E）微矩阵排列的铜纳米线阵列；（F）具有微纳米复合结构的铜纳米线阵列。

对于常见的用于热能系统中的材料，比如铜和硅，通常具有较高的表面能，水滴在表面呈现出铺展状态。为了提高表面亲水性或改进表面疏水性，具有不同润湿性的改性涂层被用于基体表面润湿性的调控（图5A-C）。图5D-I展示了几种典型的疏水表面涂层，被广泛用于提高基体表面疏水性能来实现高效的滴状冷凝传热。

图5. 用于微纳米结构表面改性的功能涂层。表面润湿性调控原理（A-C）;（D）分子自组装层；（E）聚四氟乙烯层；（F）氟碳膜；（G）含氟聚合物薄膜；（H）石墨烯层；（I）稀土氧化物层。

3. 核状沸腾传热过程强化策略

在核状沸腾中，气泡的核化、生长和脱落具有典型的多尺度界面演化特征（图6）。如何构建表面结构来促进气泡的各个子过程是实现高效核状沸腾传热的关键。为了优化气泡行为，需要提高固体表面的核化点密度，增加固液间接触传热面积，以及改善气泡脱离后液体供应到核化点的能力。

图6. 核状沸腾传热中气泡的动态行为及界面演化。

纳米线表面可以形成具有多个尺度的结构形貌，来满足气泡不同生长阶段对表面结构的需求（图7）。例如，纳米线簇间的微缺陷可以为气泡的形成提供大量的有效核化点；而纳米线结构的高比表面积可以大大地提高固液间接触面积；纳米线间产生的巨大毛细力可以驱动液体快速地回流到核化点，避免加热表面被烧干；通过构建不同长度的微阵列纳米线可以进一步将表面分成气泡生长区与液体供应区，有效地避免液体回流与气泡脱离间的冲突，实现核状沸腾中气泡行为的整体优化。

图7. 具有多重微纳米复合结构的纳米线表面强化核状沸腾传热的机理。

除了纳米线表面之外，众多研究者采用了不同的功能结构表面和强化策略来实现核状沸腾传热性能的提高。图8展示了几种典型的核状沸腾传热强化表面。这些沸腾传热强化策略为进一步设计和开发新型相变传热强化技术提供了参考。

图8. 用于强化核状沸腾传热的不同功能结构表面。（A）具有不同润湿性区域的传热表面；（B）表面结构促进气体与液体运动路径分离；（C）具有不同热导率区域的非均一表面；（D）纳米孔膜上的薄液膜沸腾；（E）引入气体渗透膜加快加热表面上气泡移除。

4. 滴状冷凝传热过程及强化策略

与核状沸腾传热相似，滴状冷凝过程中液滴的核化、生长、合并和脱落也具有多尺度界面演化特征（图9）。构建具有微纳米结构的超疏水表面可以促进冷凝液滴快速地通过合并弹跳离开表面，从而加快冷凝表面上液滴的更新。然而，冷凝液滴润湿模式的转变导致液滴“钉在”结构内部，难以脱落表面，大大地增加了蒸汽冷凝的传递热阻。由于蒸汽冷凝过程中液滴处于动态生长中，跨越了纳米尺度到近毫米尺度，且受冷凝条件的影响，如何准确预测其润湿状态转变存在着巨大的挑战。

图9. 滴状冷凝传热中液滴的动态行为及界面演化。

在认识了冷凝液滴与微纳米结构表面多尺度演化特性的基础上， 作者提出了耦合了蒸汽冷凝条件的超疏水结构表面上动态生长液滴润的湿转变机理，并指出通过表面结构设计来控制冷凝液滴的初始核化是实现高效液滴弹跳冷凝传热的关键（图10）。

图10. 超疏水纳米结构表面上冷凝液滴润湿形态与冷凝模式的转变机理。

在此基础上，杨荣贵等提出了利用紧密排列的具有高径比的超疏水铜纳米线结构来控制液滴的初始核化，促进冷凝液滴以Cassie状态（悬挂模式）在结构顶部形成（图11）。设计并构建了一系列具有不同形态的超疏水铜纳米线表面，实现了在高表面过冷度条件下稳定的液滴弹跳冷凝，大大地改善了冷凝传热性能，实现了滴状冷凝传热的持续强化。

图11. 超疏水纳米线表面实现稳定的液滴弹跳冷凝传热。（A）通过紧密排列的超疏水铜纳米线来控制液滴初始核化；蒸汽在光滑疏水表面（B）、顺直铜纳米线表面（C）、微纳米复合结构铜纳米线表面（D）以及3D铜纳米线表面上（E）的冷凝液滴行为的对比。

除了通过超疏水纳米线表面来控制液滴初始核化促进高效的液滴弹跳冷凝传热，众多研究者提出不同的表面设计方案来调控冷凝液滴行为（图12）。这些表面结构与润湿性调控策略可以有效地改善冷凝液滴的动态行为，为进一步设计与开发新型冷凝传热强化技术提供了参考。

图12. 用于强化滴状冷凝传热的不同功能结构表面。（A）具有不同润湿性区域的传热表面；（B）亲疏水间隔表面促进液滴移除；（C）具有疏水性顶层和超亲水底层的复合结构表面；（D）浸入亲水性润滑液的微纳米复合结构表面；（E）浸入润滑液的不对称凸起结构的表面。

【全文小结】

本文系统地论述了汽液相变传热的基本特性与核心机理，以纳米线结构表面为例，深入地讨论了汽液相变传热过程中气泡/液滴与微纳米结构相互作用的多尺度界面演化特征，并以此为基础，提出了全面提高相变传热性能的强化策略，同时介绍了相关的最新的相变传热强化表面及策略。在系统地阐述了微纳米结构表面强化相变传热研究进展的基础上，本文从如何进一步研发传热强化技术以及解决强化表面的规模化和实用化出发，分别从基础理论、表面设计与制造、以及向实际应用推进等层面提出了未来的研究方向与展望。

Rongfu Wen, Xuehu Ma, Yung-Cheng Lee, Ronggui Yang, Liquid-VaporPhase-Change Heat Transfer on Functionalized Nanowired Surfaces and Beyond,Joule, 2018, DOI:10.1016/j.joule.2018.08.014

【作者简介】 

通讯作者-杨荣贵：科罗拉多大学机械工程系终身正教授，于1996年获得西安交通大学电厂热能工程学士学位，1999年获得清华大学工程热物理硕士学位后赴美留学，2001年获得加州大学洛杉矶分校微机电系统工程硕士学位后转学麻省理工学院机械工程系，师从陈刚教授和Mildred S. Dresselhaus教授，于2006年2月获得工学博士学位，2006年1月起任职于科罗拉多大学博尔德分校，2011年提前两年晋升副教授（终身教席），于2016年晋升正教授。杨荣贵博士的研究成果已获得许多国际奖项，包括2004年美国国家航空和宇宙航行局技术创新奖、2005年国际热电学会戈德史密斯奖、2008年美国国防部高等研究局青年教师奖、2008年麻省理工学院出版的《科技评论》中35岁以下的35位“世界顶级青年创造者榜”（TR35）、2009年美国国家科学基金会的教授职业奖、2010年美国机械工程师学会的传热学青年研究奖、2014年国际热电学会青年研究奖、2015 年美国机械工程师学会士。已在包括Science, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Joule, Review ofModern Physics, National Science Review, Nature Communications, Science Advances,Advanced Materials, Nano Letters, Nano Energy等在内的高影响因子期刊发表180多篇期刊论文 。论文SCI引用6700多次（H指数37），谷歌学术搜索引用10200多次（H指数46）。他拥有十多项已审批和待批发明专利，是两个科技新创公司（Kelvin Thermal Technologies Inc和Radi-Cool Inc）的共同创始人。他还兼任美国机械工程师学会能源和可持续发展纳米技术指导委员会主席（2014-2016年）和美国机械工程师学会传热部纳米传热学委员会主席（2015-2017年）。

第一作者-温荣福：2015年毕业于大连理工大学，获得工学博士学位，师从马学虎教授。而后师从杨荣贵教授进行博士后研究。目前主要从事功能结构材料与界面传递现象、相变传热强化技术及其在能源生产和转换过程中的应用研究。迄今为止以第一作者在Joule, Nano Energy, NationalScience Review, ACS Applied Material Interfaces, ASME Journal of Heat Transfer等高水平刊物发表SCI论文10余篇。

本团队近期在相变传热领域的相关工作：

1.Rongfu Wen, Zhong Lan, Benli Peng, Wei Xu, Ronggui Yang, Xuehu Ma, Wettingtransition of condensed droplets on nanostructured superhydrophobic surfaces:Coordination of surface properties and condensing conditions, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9:13770-13777.

2.Rongfu Wen, Qian Li, Jiafeng Wu, Gensheng Wu, Wei Wang, Yunfei Chen, Xuehu Ma,Dongliang Zhao, Ronggui Yang, Hydrophobic copper nanowires for enhancingcondensation heat transfer, Nano Energy,2017, 33: 177-183.

3.Rongfu Wen, Shanshan Xu, Dongliang Zhao, Yung-Cheng Lee, Xuehu Ma, RongguiYang, Hierarchical superhydrophobic surfaces with micropatterned nanowirearrays for high-efficiency jumping droplet condensation, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9: 44911-44921.

4.Rongfu Wen, Qian Li, Wei Wang, Benoit Latour, Calvin H Li, Chen Li, Yung-ChengLee, Ronggui Yang, Enhanced bubble nucleation and liquid rewetting for highlyefficient boiling heat transfer on two-level hierarchical surfaces withpatterned copper nanowire arrays, NanoEnergy, 2017, 38: 59-65.

5.Rongfu Wen, Shanshan Xu, Xuehu Ma, Yung-Cheng Lee, Ronggui Yang,Three-dimensional superhydrophobic nanowire networks for enhancing condensationheat transfer, Joule, 2018, 2:269-279.

6.Rongfu Wen, Shanshan Xu, Yung-Cheng Lee, Ronggui Yang, Capillary-driven liquidfilm boiling heat transfer on hybrid mesh wicking structures, Nano Energy, 2018, 51: 373-382.

7.Rongfu Wen, Shanshan Xu, Dongliang Zhao, Lixin Yang, Xuehu Ma, Wei Liu,Yung-Cheng Lee, Ronggui Yang, Sustaining enhanced condensation on hierarchicalmesh-covered surfaces, Natl. Sci. Rev.,2018, DOI: 10.1093/nsr/nwy098.

8.Rongfu Wen, Xuehu Ma, Yung-Cheng Lee, Ronggui Yang, Liquid-vapor phase-changeheat transfer on functionalized nanowired surfaces and beyond, Joule, 2018, DOI: 10.1016/j.joule.2018.08.014.