納米孔鏈雙層復合表面過冷池沸騰傳熱特性

石爾，易蘋，趙斌，汪瓊，張成云

（1 長沙理工大學能源與動力工程學院，湖南 長沙 410114；2 廣州大學物理與材料科學學院，廣東 廣州 510006）

微能源、微化工、核反應工程和大規模集成電路等裝置功率密度的急劇增加和設備的微型化對散熱解決方案提出越來越高的要求，以確保換熱裝置的緊湊性、高效性和穩定運行。利用蒸發潛熱的微尺度沸騰相變冷卻技術被認為是解決當下高熱通量器件熱管理問題最有效的方法之一[1]。但相變傳熱技術的應用受到臨界熱通量（CHF）的限制，它決定了沸騰傳熱裝置的上限[2]。

已有研究表明，微納多孔表面由于增加換熱面積，提供豐富的汽化核心和更強的液體供應能力，能有效改善沸騰傳熱性能，提升臨界熱通量[3-4]。由于氣-液相變過程固有的多尺度特征以及蒸氣的逸出和液體補充對有效孔徑的大小存在不同要求[5]，研究者在金屬表面設計了樹林狀基礎沉積蜂窩狀微納雙尺度多孔[6]、微槽覆蓋納米線[7]、微納通道覆蓋微納孔[8]等多層級結構實現強毛細作用力和高滲透率之間的平衡。由于換熱表面液體補充和氣泡逸出在成核位點存在反向流動阻力，在高熱通量區或接近臨界熱通量時，氣液兩相之間存在的嚴重逆流摩擦阻力使得液體向汽化界面補給困難，這是觸發CHF的基本機制[9]。一些研究者構造多孔蓮花銅結合凹槽[10]、矩形干道式通道覆蓋燒結多孔銅顆粒[11-12]等結構，力圖合理分配氣相和液相的流道。Zhang 等[11]發現多孔燒結層和小通道結合的雙層結構可以很好地調節氣液分布，形成獨立的氣-液流動路徑，減小氣液逆流阻力，有效提高沸騰傳熱性能；同時認為加熱表面和多孔結構的連接方式對干道式多孔結構沸騰傳熱性能影響很大，應盡量減少兩者間的接觸熱阻[12]。Kibushi等[10]指出多孔蓮花銅結合溝槽的雙層結構中液體和蒸氣在多孔或溝槽中流動壓力損失之間存在平衡，導致水和FC-72的液體補充和氣泡逸出存在兩種不同的協同輸運方向，大大增強了飽和池沸騰的CHF。近年，超快激光表面加工技術因其具有非接觸、高度可控、對基材無依賴以及加工過程無熱效應等優點[13-14]，成為極具競爭力的沸騰表面微納米結構加工技術。Kruse 等[15]利用飛秒激光在不銹鋼表面燒蝕不同峰谷高度的丘狀結構，實現了蒸餾水飽和池沸騰的CHF 增加1.56 倍，傳熱系數增加近3 倍。Sitar 等[16]在激光結構化微腔硅表面進行池沸騰實驗，發現在整個熱通量范圍展現優異的沸騰傳熱性能，并指出激光加工技術在強化傳熱領域具有巨大的潛力。

綜上，將多孔表面和氣液自適應協同輸運的多層級結構相結合，有望進一步提升換熱表面的換熱性能。低沸點工質可在較低溫度范圍沸騰并吸收大量熱量[17]，過冷沸騰在高熱流換熱場合廣泛應用[18]。因此，本文以HFE-7100為工質，采用飛秒激光加工在硅基表面構建一種具有大量汽化核心和氣液相自適應協同輸運的納米孔鏈層級結構，形成氣液自適應調控沸騰表面相界面的通道，研究在不同過冷度下池沸騰換熱性能，通過高速攝像開展氣泡動力學行為的可視化研究，探究過冷度和熱通量對氣泡演變和氣液輸運的影響，通過實驗數據深入了解雙層多孔表面的強化沸騰傳熱機理。

1 雙層多孔表面的結構特點

本實驗樣品選用摻P的N型硅片，尺寸規格為10mm×10mm×0.5mm。采用鈦藍寶石激光器作為加工光源（中心波長800nm，美國相干公司飛秒激光系統），通過飛秒脈沖激光放大級輸出飛秒激光脈沖，對三維微位移平臺上的硅片樣品以2mW 的激光功率和1mm/s的掃描速度進行線掃描，誘導出二維嵌套的納米孔鏈雙層復合結構（簡稱雙層多孔結構），其詳細加工工藝見文獻[19]。獲得的雙層多孔表面掃描方式和逐層結構如圖1所示。輸出脈沖在硅表面沿垂直方向掃描加工一次后形成納米孔結構后，再沿水平方向掃描加工一次。由于第一次激光掃描形成的納米孔結構降低硅片的燒蝕閾值，在硅表面同一位置先后燒蝕兩次后誘導出二維嵌套的納米孔鏈層級結構。

圖1 飛秒激光加工表面結構

通過掃描電子顯微鏡（JEOL SM-84041）考察沸騰傳熱表面形貌，如圖2所示。雙層多孔結構表面單個納米孔長約為600nm，寬約為300nm，部分孔互相連通形成尺度更大的孔。與此同時，激光和材料作用時產生的等離子體羽流會在微米結構上形成特定形貌的自組織納米結構，在大氣環境中硅表面形成顆粒狀納米結構分布在“脊”上，如圖2(b)所示。

圖2 雙層多孔結構掃描電鏡圖

2 實驗部分

2.1 實驗裝置和參數測量

圖3 為池沸騰實驗系統。該裝置由池沸騰室、加熱模塊、溫度控制模塊、數據采集模塊及可視化模塊組成。池沸騰室由透明有機玻璃制成，內部尺寸為120mm×120mm×120mm。工質為未經除氣的氟化液HFE-7100，其在1atm（1atm=101325Pa）下沸點為61℃。沸騰池頂部連接1個集氣袋，保證腔體內壓力始終處于1atm。加熱模塊由主加熱和輔助加熱部分組成。其中，主加熱部分為直流電源連通硅片通過焦耳效應采用電阻加熱模式，通過超聲波在硅片相對的側壁焊接直徑為0.3mm的銅導線實現與直流電源連接。硅片通過聚硅氧烷絕熱膠黏附在有機玻璃板上，同時用聚硅氧烷絕熱膠對硅片四周側壁進行密封，將其置于沸騰池底部中心，硅片表面溫度Tw通過粘貼在硅片背面中心的T型熱電偶測量。輔助加熱部分為在沸騰池內部布置的兩根功率分別為150W的輔助加熱棒。溫度控制模塊由半導體制冷片和冷凝盤管構成，通過和輔助加熱系統的協同工作將工質溫度控制在設定值（工質溫度Tf由沸騰池頂部引入的T 型熱電偶測定）。通過調節電壓來改變加熱功率獲得不同熱通量，加熱功率從0W開始，在對流換熱階段以0.5W為梯度遞增，在核態沸騰階段以3W 為梯度遞增，當熱通量接近CHF 時，減小加熱功率增加的幅度為0.5W。通過布置的兩根T 型熱電偶進行Tw和Tf的測量，當30s內Tw溫度變化小于0.5℃時，認為池沸騰達到穩定狀態，記錄熱電偶溫度和加熱功率。一旦壁溫突然升高或電流急劇下降時，認為達到CHF，立即關閉電源。每組實驗重復3次，每輪實驗的時間間隔大于0.5h。實驗數據通過數據采集儀（Agilent 34970A）進行采集并傳輸給計算機?？梢暬K由高速攝像機（Photron Fastcam Mini UX100）和LED 光源組成，高速攝像機分辨率為1280×1024，拍攝幀頻為2000 幀/s，由Photron FASTCAM Viewer 軟件對攝錄參數進行控制。

圖3 池沸騰實驗系統

2.2 數據處理及不確定度分析

測試表面由直流電源加熱，加熱功率通過加熱電壓（U，V）和加熱電流（I，A）獲得，熱通量（q，W/cm2）和沸騰傳熱系數[h，W/(cm2·K)]的計算如式(1)、式(2)。

式中，加熱面積A=L×L=1cm2；L為硅片邊長，cm；Tw為硅片表面溫度，℃；Tsat為HFE-7100飽和溫度，℃。

在本研究中，U、I和L的測量不確定度分別為0.1%、0.45%、0.5%。熱電偶的不確定度小于0.3K，溫度讀取誤差約為0.1K，因此Tw和Tf的不確定度約為0.32K。本文以硅片底部溫度作為壁面溫度，根據Liu 等[20]模擬結果，硅片底部與上表面（沸騰表面）之間的溫差很小，可以忽略不計。輸入熱流和傳熱系數不確定度的計算如式(3)、式(4)。

式中，Tf為HFE-7100主體溫度，℃。

計算得到熱通量最大不確定度約為1.1%，核態沸騰狀態下，傳熱系數的最大不確定度為3.84%。

3 結果與討論

3.1 沸騰傳熱特性

光滑硅表面與雙層多孔硅表面在不同過冷度下的池沸騰曲線如圖4所示。實驗結果表明，雙層多孔表面沸騰曲線大幅向左上方移動，壁面沸騰起始過熱度ONB（K）顯著降低，強化了HFE-7100 的核態沸騰傳熱。由圖4(a)可知，在過冷度為3K時，雙層多孔表面的ONB點溫度為19.6K，相較于光滑表面降低了6.2K；當過冷度為35K時，雙層多孔結構ONB點溫度比光滑表面降低了4.4K。

圖4 不同過冷度下光滑表面和雙層多孔表面的沸騰曲線ΔTsat—壁面過熱度（ΔTsat=Tw-Tsa）t，K；ΔTsub—液體過冷度（ΔTsub=Tsat-T）f，K

微納尺度凹穴的尺寸和密度對于沸騰起始點的過熱度有重要影響[21]。通過Image J軟件對圖2(a)進行孔穴和其他區域的灰度統計，獲得基于當量半徑（Yc）的微納米孔密度（Nc），統計結果如圖5所示，從圖中可以看出多孔結構包含孔徑范圍廣泛、數量眾多的微納米級的孔穴。氣泡有效成核半徑與壁面過熱度的關系可以通過Hsu[22]提出的準則式［式(5)］計算。

圖5 多孔表面基于當量半徑的孔密度統計

式中，rc,max和rc,min分別為活性成核位點的最大半徑和最小半徑，μm；C1=2 和C2=1.6 為與氣泡和壁面接觸角相關的常數；σ為表面張力，N/m；ρv為蒸汽密度，kg/m3；δt為熱邊界層厚度，μm；如果已知ONB 點的壁面過熱度，則可估計該厚度[22]；hlv為汽化潛熱，kJ/kg。

當液體過冷度從3K 升到35K 時，ONB 點的壁面過熱度從19.6K降至12.3K。從圖6可以看出，在12.3～19.6K的壁面過熱度范圍內，對應35K過冷度的有效成核半徑范圍為1.1～7.2μm。在一定的過熱度下，隨著過冷度減小，有效成核半徑的尺寸范圍變?。欢斶^冷度不變時，隨著過熱度的增加，沸騰表面有效成核半徑尺寸范圍增大。多孔結構內微腔的尺寸和數量是影響氣泡成核的關鍵因素[23]，在過冷度為35K 時，大尺寸的空腔將被激活，從圖5 可知，半徑為0.5μm以上的孔穴密度遠大于半徑0.5μm以下的孔穴密度，因此在高過冷度下，當過熱度較低時，大量的潛在汽化核心被激活，這也是過冷度為35K時沸騰起始點較過冷度3K提前的原因。

圖6 雙層多孔表面有效成核半徑與壁面過熱度之間的關系

考慮雙層多孔結構，可能成為汽化核心的孔穴類型可以歸結為兩類：①第1類汽化核心為雙層多孔結構下層的凹穴，產生的氣泡需通過雙層多孔骨架內部形成的互相連通的孔穴逃逸到表面；②第2類汽化核心為表面的凹穴。在相同的壁面過熱度下，雙層多孔結構上下層孔穴可同時發生核化，核化點數量將是光滑表面的數倍，并且孔徑分布廣泛，在較低熱通量下就有成核位點被激活，并隨著熱通量的增加不斷激活潛在的汽化核心，在整個過程中由相變帶走的熱量大大增加，這就從機理的角度合理解釋了雙層多孔結構提供更多汽化核心和具有更低壁面過熱度的原因。

3.2 氣泡動力學行為

在不同熱通量下，多孔表面存在3 種沸騰狀態：孤立氣泡核沸騰、發展核沸騰、聚結核沸騰。通過高速攝像捕捉到3K 過冷度下光滑表面和雙層多孔表面不同熱通量下的氣泡圖像，如圖7 所示。當熱通量較低時，兩個表面上均處于孤立氣泡核沸騰狀態，氣泡彼此獨立地從表面起沸。雙層多孔結構孔穴提供大量的有效核化位點，在沸騰起始階段產生大量氣泡。當熱通量增加，越來越多的汽化核心被激活，氣泡數量急劇增加，表面轉化為發展核沸騰狀態。光滑表面氣泡相互聚并，甚至在局部形成了蒸汽膜。而緊貼多孔表面有一層厚厚的小氣泡，這是由于雙層多孔結構內部存在大量孔隙有利于液體的存儲，大氣泡底部滲入多孔層的液體類似于液膜蒸發中的液層，這是通過蒸發移除熱量保持相對較低壁溫的關鍵。在高熱通量下，表面發展成聚結核沸騰。光滑表面出現蘑菇狀大氣泡，蒸汽膜覆蓋整個表面，導致傳熱急劇惡化。此時多孔表面氣泡聚結成蒸汽塊，而緊挨壁面大氣泡底層仍能觀察到一層小氣泡，說明大氣泡底層仍存在宏觀液層和蒸發，阻止了氣膜的形成。高熱通量條件下，液體及時補充是保證沸騰過程穩定性的主要因素。蘑菇氣泡在縮頸和離開過程在底部形成低壓區，液體通過尾流效應流入容積間隙，如圖7(b)紅色虛線所示，引起液體的劇烈擾動，伴隨著對氣泡核化和脫離位置大量的液體補充，推遲了臨界熱通量（CHF，W/cm2）的到來。

圖7 光滑表面和雙層多孔表面不同熱流下氣泡行為（ΔTsub=3K）

由圖4可知，液體過冷度對表面沸騰性能有重要影響，CHF 隨著過冷度的增加而增加。在過冷度為3K 時，雙層多孔表面的CHF 為33.3W/cm2；而當過冷度為35K 時，CHF 達到62.9W/cm2。通過不同過冷度下的氣泡行為揭示過冷度對于CHF 的影響。如8(a)所示，對于3K過冷度，在0ms時雙層多孔表面分別通過重力和卷吸作用從兩個半月形氣泡之間向加熱表面補充液體，并通過毛細壓力維持多孔結構內部的液體潤濕。沸騰表面形成非平滑氣膜，大氣泡底部不斷生成小氣泡。隨著時間推移，半月形大氣泡在生長和上升過程中合并成蘑菇狀大氣泡，蒸汽膜覆蓋在加熱表面，僅能從底部進行部分補液，由于底層多孔介質層的存在，氣液界面更長時間保持在多孔層內，延緩了燒干現象。在32ms，蘑菇蒸汽脫離后，下一個氣泡在前一個氣泡的尾部形成。35K 過冷度時的氣泡行為如圖8(b)所示，其與3K 過冷度有很大區別。由于工質強烈的冷凝作用，氣泡脫離直徑和脫離頻率減小，大氣泡進入過冷液體區并沒有形成蘑菇狀氣團，而是在上升過程中破裂成小氣泡。眾所周知，高熱通量下氣泡的聚并是傳熱惡化的根源。氣泡脫離直徑隨著過冷度的增加而減小，氣泡聚并的概率大大減小，有利于維持穩定的核態沸騰，延緩沸騰危機的發生。對于具有高汽化核心密度的雙層多孔表面，氣泡的聚并更容易發生，從圖4可以看出，增加過冷度對于其沸騰傳熱性能的影響比光滑表面更明顯。整個氣泡循環期間，液體可以不斷通過重力從氣泡的間隙中補充。由于加熱硅片附近的溫度遠高于周圍液體的溫度，因此在不斷增大的氣泡周圍形成了較大的溫度梯度，出現毛細對流現象。

圖8 雙層多孔表面不同過冷度下接近CHF時的氣泡行為

3.3 雙層多孔結構強化傳熱機制分析

從圖4的對比可知，雙層多孔表面的沸騰傳熱規律與光滑表面截然不同。為了探究雙層多孔表面的強化傳熱機制，首先對低熱通量下的光滑表面和雙層多孔表面氣泡行為進行比較，如圖9所示。從圖中可以發現，雙層多孔表面的氣泡數量遠高于光滑表面，氣泡尺寸和脫離周期小于光滑表面，說明雙層多孔表面具有更多的汽化核心、更小的氣泡脫離直徑和更高的氣泡脫離頻率。雙層多孔結構對池沸騰傳熱強化的原因之一可歸結為有效汽化核心的增加。在沸騰起始階段，隨著熱通量的提高，雙層結構的上層孔和下層孔大量潛在的核化點活化成型，雙層多孔結構內部充滿液體，在加熱壁面附近形成穩定的微液層，微液層內液體不斷蒸發維持氣泡生長，傳熱主要受微液層蒸發機制的影響。

圖9 光滑表面和雙層多孔表面在低熱通量下的氣泡演化（ΔTsub=3K）

隨著熱通量增加，固-液界面處產生越來越多的氣泡。從圖10 所示雙層多孔表面在熱通量為20W/cm2時氣泡演化圖像可以看出，氣泡在眾多的活化位點成核、生長、合并后快速脫離表面，氣泡的每一次脫離在主流區引起液體的劇烈擾動，形成強烈的卷吸作用，多孔材料內氣泡周期性脫落增加了微尺度效應下的氣液交換微對流作用。多孔表面局部氣膜形成之后，在上一個氣泡脫離的同時，緊貼壁面的位置觀察到很多小氣泡，意味著雙層多孔網絡內液體得到及時補充，熱量被及時帶走，維持高效的核態沸騰狀態。從圖8(a)可以看到，即使在CHF 發生前，大氣泡底下仍存在一個小氣泡層，而在大氣泡脫離之后，小氣泡層會迅速合并成一個大氣泡，這與Liu 等[20]提出的微納復合結構表面的CHF 模型的假設類似。因此，可以假設雙層多孔表面液體補充具有兩種不同途徑。納米孔的毛細芯吸作用實現了自上而下液體的輸運，成為多孔結構內部有效的液體補充機制之一。同時，雙層多孔層間的網絡結構存儲液體，在提供橫向液體輸運通道的同時減小從邊緣到中心補充液體的流動阻力，成為另一種有效的液體補充途徑。雙層多孔結構內兩種液體輸運路徑可根據液相壓力損失自適應調節，避免了由于氣泡快速膨脹擠占單一供液通道而導致多孔材料內部或表面出現燒干的現象。

圖10 熱通量為20W/cm2時雙層多孔表面的氣泡演化（ΔTsub=3K）

4 結論

通過對雙層多孔表面在大氣壓條件下HFE-7100 工質過冷池沸騰傳熱性能和可視化的實驗研究，得到如下結論。

（1）通過飛秒激光可以在硅表面同一位置正交燒蝕二次誘導出二維嵌套的納米孔鏈層級結構。上層單個納米孔長約600nm，寬約300nm，部分孔互相連通。相比于光滑表面，沸騰曲線大幅向左上方移動，雙層多孔表面的沸騰起始點在過冷度為3K和35K時與光滑硅表面相比降低了24.0%和26.3%；CHF 分別提高了62.4%和128.7%，展現出優異的沸騰傳熱性能。

（2）多孔表面具有豐富的孔徑范圍，滿足有效成核半徑要求的孔隙尺度，雙層結構具有內部孔穴和表面凹穴兩類汽化核心，存在大量潛在的活化成核位點，顯著降低核態沸騰起始所需最小熱通量和壁面過熱度。

（3）納米孔和雙層結構提供了垂直和水平方向的液體補充通道，不同的表面孔隙尺度和雙層多孔網絡為液體補充和蒸汽逸出提供自適應的氣液協同輸運通道，結合多孔網絡中的微液膜蒸發和微對流作用可共同增強池沸騰換熱能力。

（4）雙層多孔微納復合結構在提高臨界熱通量的同時，實現了沸騰起始過熱度的降低。通過減材加工在半導體材料一體成型加工結構避免界面材料造成的接觸熱阻，同時有效解決了傳統雙層結構的結合力問題，研究可為半導體材料與散熱器件的一體化相變液冷強化表面的優化設計提供指導。