石爾，易蘋，趙斌，汪瓊，張成云

（1 長(zhǎng)沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2 廣州大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510006）

微能源、微化工、核反應(yīng)工程和大規(guī)模集成電路等裝置功率密度的急劇增加和設(shè)備的微型化對(duì)散熱解決方案提出越來(lái)越高的要求，以確保換熱裝置的緊湊性、高效性和穩(wěn)定運(yùn)行。利用蒸發(fā)潛熱的微尺度沸騰相變冷卻技術(shù)被認(rèn)為是解決當(dāng)下高熱通量器件熱管理問(wèn)題最有效的方法之一[1]。但相變傳熱技術(shù)的應(yīng)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(qiáng)的液體供應(yīng)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(guò)程固有的多尺度特征以及蒸氣的逸出和液體補(bǔ)充對(duì)有效孔徑的大小存在不同要求[5]，研究者在金屬表面設(shè)計(jì)了樹(shù)林狀基礎(chǔ)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(jí)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)毛細(xì)作用力和高滲透率之間的平衡。由于換熱表面液體補(bǔ)充和氣泡逸出在成核位點(diǎn)存在反向流動(dòng)阻力，在高熱通量區(qū)或接近臨界熱通量時(shí)，氣液兩相之間存在的嚴(yán)重逆流摩擦阻力使得液體向汽化界面補(bǔ)給困難，這是觸發(fā)CHF的基本機(jī)制[9]。一些研究者構(gòu)造多孔蓮花銅結(jié)合凹槽[10]、矩形干道式通道覆蓋燒結(jié)多孔銅顆粒[11-12]等結(jié)構(gòu)，力圖合理分配氣相和液相的流道。Zhang 等[11]發(fā)現(xiàn)多孔燒結(jié)層和小通道結(jié)合的雙層結(jié)構(gòu)可以很好地調(diào)節(jié)氣液分布，形成獨(dú)立的氣-液流動(dòng)路徑，減小氣液逆流阻力，有效提高沸騰傳熱性能；同時(shí)認(rèn)為加熱表面和多孔結(jié)構(gòu)的連接方式對(duì)干道式多孔結(jié)構(gòu)沸騰傳熱性能影響很大，應(yīng)盡量減少兩者間的接觸熱阻[12]。Kibushi等[10]指出多孔蓮花銅結(jié)合溝槽的雙層結(jié)構(gòu)中液體和蒸氣在多孔或溝槽中流動(dòng)壓力損失之間存在平衡，導(dǎo)致水和FC-72的液體補(bǔ)充和氣泡逸出存在兩種不同的協(xié)同輸運(yùn)方向，大大增強(qiáng)了飽和池沸騰的CHF。近年，超快激光表面加工技術(shù)因其具有非接觸、高度可控、對(duì)基材無(wú)依賴以及加工過(guò)程無(wú)熱效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)[13-14]，成為極具競(jìng)爭(zhēng)力的沸騰表面微納米結(jié)構(gòu)加工技術(shù)。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(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了蒸餾水飽和池沸騰的CHF 增加1.56 倍，傳熱系數(shù)增加近3 倍。Sitar 等[16]在激光結(jié)構(gòu)化微腔硅表面進(jìn)行池沸騰實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在整個(gè)熱通量范圍展現(xiàn)優(yōu)異的沸騰傳熱性能，并指出激光加工技術(shù)在強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域具有巨大的潛力。

綜上，將多孔表面和氣液自適應(yīng)協(xié)同輸運(yùn)的多層級(jí)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，有望進(jìn)一步提升換熱表面的換熱性能。低沸點(diǎn)工質(zhì)可在較低溫度范圍沸騰并吸收大量熱量[17]，過(guò)冷沸騰在高熱流換熱場(chǎng)合廣泛應(yīng)用[18]。因此，本文以HFE-7100為工質(zhì)，采用飛秒激光加工在硅基表面構(gòu)建一種具有大量汽化核心和氣液相自適應(yīng)協(xié)同輸運(yùn)的納米孔鏈層級(jí)結(jié)構(gòu)，形成氣液自適應(yīng)調(diào)控沸騰表面相界面的通道，研究在不同過(guò)冷度下池沸騰換熱性能，通過(guò)高速攝像開(kāi)展氣泡動(dòng)力學(xué)行為的可視化研究，探究過(guò)冷度和熱通量對(duì)氣泡演變和氣液輸運(yùn)的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)深入了解雙層多孔表面的強(qiáng)化沸騰傳熱機(jī)理。

1 雙層多孔表面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本實(shí)驗(yàn)樣品選用摻P的N型硅片，尺寸規(guī)格為10mm×10mm×0.5mm。采用鈦藍(lán)寶石激光器作為加工光源（中心波長(zhǎng)800nm，美國(guó)相干公司飛秒激光系統(tǒng)），通過(guò)飛秒脈沖激光放大級(jí)輸出飛秒激光脈沖，對(duì)三維微位移平臺(tái)上的硅片樣品以2mW 的激光功率和1mm/s的掃描速度進(jìn)行線掃描，誘導(dǎo)出二維嵌套的納米孔鏈雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱雙層多孔結(jié)構(gòu)），其詳細(xì)加工工藝見(jiàn)文獻(xiàn)[19]。獲得的雙層多孔表面掃描方式和逐層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(dǎo)出二維嵌套的納米孔鏈層級(jí)結(jié)構(gòu)。

圖1 飛秒激光加工表面結(jié)構(gòu)

通過(guò)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(jié)構(gòu)表面單個(gè)納米孔長(zhǎng)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(shí)，激光和材料作用時(shí)產(chǎn)生的等離子體羽流會(huì)在微米結(jié)構(gòu)上形成特定形貌的自組織納米結(jié)構(gòu)，在大氣環(huán)境中硅表面形成顆粒狀納米結(jié)構(gòu)分布在“脊”上，如圖2(b)所示。

圖2 雙層多孔結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置和參數(shù)測(cè)量

圖3 為池沸騰實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該裝置由池沸騰室、加熱模塊、溫度控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊及可視化模塊組成。池沸騰室由透明有機(jī)玻璃制成，內(nèi)部尺寸為120mm×120mm×120mm。工質(zhì)為未經(jīng)除氣的氟化液HFE-7100，其在1atm（1atm=101325Pa）下沸點(diǎn)為61℃。沸騰池頂部連接1個(gè)集氣袋，保證腔體內(nèi)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(guò)焦耳效應(yīng)采用電阻加熱模式，通過(guò)超聲波在硅片相對(duì)的側(cè)壁焊接直徑為0.3mm的銅導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)與直流電源連接。硅片通過(guò)聚硅氧烷絕熱膠黏附在有機(jī)玻璃板上，同時(shí)用聚硅氧烷絕熱膠對(duì)硅片四周側(cè)壁進(jìn)行密封，將其置于沸騰池底部中心，硅片表面溫度Tw通過(guò)粘貼在硅片背面中心的T型熱電偶測(cè)量。輔助加熱部分為在沸騰池內(nèi)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(dǎo)體制冷片和冷凝盤管構(gòu)成，通過(guò)和輔助加熱系統(tǒng)的協(xié)同工作將工質(zhì)溫度控制在設(shè)定值（工質(zhì)溫度Tf由沸騰池頂部引入的T 型熱電偶測(cè)定）。通過(guò)調(diào)節(jié)電壓來(lái)改變加熱功率獲得不同熱通量，加熱功率從0W開(kāi)始，在對(duì)流換熱階段以0.5W為梯度遞增，在核態(tài)沸騰階段以3W 為梯度遞增，當(dāng)熱通量接近CHF 時(shí)，減小加熱功率增加的幅度為0.5W。通過(guò)布置的兩根T 型熱電偶進(jìn)行Tw和Tf的測(cè)量，當(dāng)30s內(nèi)Tw溫度變化小于0.5℃時(shí)，認(rèn)為池沸騰達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，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(shí)，認(rèn)為達(dá)到CHF，立即關(guān)閉電源。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，每輪實(shí)驗(yàn)的時(shí)間間隔大于0.5h。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀（Agilent 34970A）進(jìn)行采集并傳輸給計(jì)算機(jī)。可視化模塊由高速攝像機(jī)（Photron Fastcam Mini UX100）和LED 光源組成，高速攝像機(jī)分辨率為1280×1024，拍攝幀頻為2000 幀/s，由Photron FASTCAM Viewer 軟件對(duì)攝錄參數(shù)進(jìn)行控制。

圖3 池沸騰實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.2 數(shù)據(jù)處理及不確定度分析

測(cè)試表面由直流電源加熱，加熱功率通過(guò)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(shù)[h，W/(cm2·K)]的計(jì)算如式(1)、式(2)。

式中，加熱面積A=L×L=1cm2；L為硅片邊長(zhǎng)，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(cè)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(jù)Liu 等[20]模擬結(jié)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(jì)。輸入熱流和傳熱系數(shù)不確定度的計(jì)算如式(3)、式(4)。

式中，Tf為HFE-7100主體溫度，℃。

計(jì)算得到熱通量最大不確定度約為1.1%，核態(tài)沸騰狀態(tài)下，傳熱系數(shù)的最大不確定度為3.84%。

3 結(jié)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(guò)冷度下的池沸騰曲線如圖4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙層多孔表面沸騰曲線大幅向左上方移動(dòng)，壁面沸騰起始過(guò)熱度ONB（K）顯著降低，強(qiáng)化了HFE-7100 的核態(tài)沸騰傳熱。由圖4(a)可知，在過(guò)冷度為3K時(shí)，雙層多孔表面的ONB點(diǎn)溫度為19.6K，相較于光滑表面降低了6.2K；當(dāng)過(guò)冷度為35K時(shí)，雙層多孔結(jié)構(gòu)ONB點(diǎn)溫度比光滑表面降低了4.4K。

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

微納尺度凹穴的尺寸和密度對(duì)于沸騰起始點(diǎn)的過(guò)熱度有重要影響[21]。通過(guò)Image J軟件對(duì)圖2(a)進(jìn)行孔穴和其他區(qū)域的灰度統(tǒng)計(jì)，獲得基于當(dāng)量半徑（Yc）的微納米孔密度（Nc），統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示，從圖中可以看出多孔結(jié)構(gòu)包含孔徑范圍廣泛、數(shù)量眾多的微納米級(jí)的孔穴。氣泡有效成核半徑與壁面過(guò)熱度的關(guān)系可以通過(guò)Hsu[22]提出的準(zhǔn)則式［式(5)］計(jì)算。

圖5 多孔表面基于當(dāng)量半徑的孔密度統(tǒng)計(jì)

式中，rc,max和rc,min分別為活性成核位點(diǎn)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(guān)的常數(shù)；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(diǎn)的壁面過(guò)熱度，則可估計(jì)該厚度[22]；hlv為汽化潛熱，kJ/kg。

當(dāng)液體過(guò)冷度從3K 升到35K 時(shí)，ONB 點(diǎn)的壁面過(guò)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(guò)熱度范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)35K過(guò)冷度的有效成核半徑范圍為1.1～7.2μm。在一定的過(guò)熱度下，隨著過(guò)冷度減小，有效成核半徑的尺寸范圍變??；而當(dāng)過(guò)冷度不變時(shí)，隨著過(guò)熱度的增加，沸騰表面有效成核半徑尺寸范圍增大。多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)微腔的尺寸和數(shù)量是影響氣泡成核的關(guān)鍵因素[23]，在過(guò)冷度為35K 時(shí)，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(yuǎn)大于半徑0.5μm以下的孔穴密度，因此在高過(guò)冷度下，當(dāng)過(guò)熱度較低時(shí)，大量的潛在汽化核心被激活，這也是過(guò)冷度為35K時(shí)沸騰起始點(diǎn)較過(guò)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(guò)熱度之間的關(guān)系

考慮雙層多孔結(jié)構(gòu)，可能成為汽化核心的孔穴類型可以歸結(jié)為兩類：①第1類汽化核心為雙層多孔結(jié)構(gòu)下層的凹穴，產(chǎn)生的氣泡需通過(guò)雙層多孔骨架內(nèi)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(guò)熱度下，雙層多孔結(jié)構(gòu)上下層孔穴可同時(shí)發(fā)生核化，核化點(diǎn)數(shù)量將是光滑表面的數(shù)倍，并且孔徑分布廣泛，在較低熱通量下就有成核位點(diǎn)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(gè)過(guò)程中由相變帶走的熱量大大增加，這就從機(jī)理的角度合理解釋了雙層多孔結(jié)構(gòu)提供更多汽化核心和具有更低壁面過(guò)熱度的原因。

3.2 氣泡動(dòng)力學(xué)行為

在不同熱通量下，多孔表面存在3 種沸騰狀態(tài)：孤立氣泡核沸騰、發(fā)展核沸騰、聚結(jié)核沸騰。通過(guò)高速攝像捕捉到3K 過(guò)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(dāng)熱通量較低時(shí)，兩個(gè)表面上均處于孤立氣泡核沸騰狀態(tài)，氣泡彼此獨(dú)立地從表面起沸。雙層多孔結(jié)構(gòu)孔穴提供大量的有效核化位點(diǎn)，在沸騰起始階段產(chǎn)生大量氣泡。當(dāng)熱通量增加，越來(lái)越多的汽化核心被激活，氣泡數(shù)量急劇增加，表面轉(zhuǎn)化為發(fā)展核沸騰狀態(tài)。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(jié)構(gòu)內(nèi)部存在大量孔隙有利于液體的存儲(chǔ)，大氣泡底部滲入多孔層的液體類似于液膜蒸發(fā)中的液層，這是通過(guò)蒸發(fā)移除熱量保持相對(duì)較低壁溫的關(guān)鍵。在高熱通量下，表面發(fā)展成聚結(jié)核沸騰。光滑表面出現(xiàn)蘑菇狀大氣泡，蒸汽膜覆蓋整個(gè)表面，導(dǎo)致傳熱急劇惡化。此時(shí)多孔表面氣泡聚結(jié)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(shuō)明大氣泡底層仍存在宏觀液層和蒸發(fā)，阻止了氣膜的形成。高熱通量條件下，液體及時(shí)補(bǔ)充是保證沸騰過(guò)程穩(wěn)定性的主要因素。蘑菇氣泡在縮頸和離開(kāi)過(guò)程在底部形成低壓區(qū)，液體通過(guò)尾流效應(yīng)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(dòng)，伴隨著對(duì)氣泡核化和脫離位置大量的液體補(bǔ)充，推遲了臨界熱通量（CHF，W/cm2）的到來(lái)。

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(guò)冷度對(duì)表面沸騰性能有重要影響，CHF 隨著過(guò)冷度的增加而增加。在過(guò)冷度為3K 時(shí)，雙層多孔表面的CHF 為33.3W/cm2；而當(dāng)過(guò)冷度為35K 時(shí)，CHF 達(dá)到62.9W/cm2。通過(guò)不同過(guò)冷度下的氣泡行為揭示過(guò)冷度對(duì)于CHF 的影響。如8(a)所示，對(duì)于3K過(guò)冷度，在0ms時(shí)雙層多孔表面分別通過(guò)重力和卷吸作用從兩個(gè)半月形氣泡之間向加熱表面補(bǔ)充液體，并通過(guò)毛細(xì)壓力維持多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部的液體潤(rùn)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(shí)間推移，半月形大氣泡在生長(zhǎng)和上升過(guò)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(jìn)行部分補(bǔ)液，由于底層多孔介質(zhì)層的存在，氣液界面更長(zhǎng)時(shí)間保持在多孔層內(nèi)，延緩了燒干現(xiàn)象。在32ms，蘑菇蒸汽脫離后，下一個(gè)氣泡在前一個(gè)氣泡的尾部形成。35K 過(guò)冷度時(shí)的氣泡行為如圖8(b)所示，其與3K 過(guò)冷度有很大區(qū)別。由于工質(zhì)強(qiáng)烈的冷凝作用，氣泡脫離直徑和脫離頻率減小，大氣泡進(jìn)入過(guò)冷液體區(qū)并沒(méi)有形成蘑菇狀氣團(tuán)，而是在上升過(guò)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(guò)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(wěn)定的核態(tài)沸騰，延緩沸騰危機(jī)的發(fā)生。對(duì)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(fā)生，從圖4可以看出，增加過(guò)冷度對(duì)于其沸騰傳熱性能的影響比光滑表面更明顯。整個(gè)氣泡循環(huán)期間，液體可以不斷通過(guò)重力從氣泡的間隙中補(bǔ)充。由于加熱硅片附近的溫度遠(yuǎn)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(xiàn)毛細(xì)對(duì)流現(xiàn)象。

圖8 雙層多孔表面不同過(guò)冷度下接近CHF時(shí)的氣泡行為

3.3 雙層多孔結(jié)構(gòu)強(qiáng)化傳熱機(jī)制分析

從圖4的對(duì)比可知，雙層多孔表面的沸騰傳熱規(guī)律與光滑表面截然不同。為了探究雙層多孔表面的強(qiáng)化傳熱機(jī)制，首先對(duì)低熱通量下的光滑表面和雙層多孔表面氣泡行為進(jìn)行比較，如圖9所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，雙層多孔表面的氣泡數(shù)量遠(yuǎn)高于光滑表面，氣泡尺寸和脫離周期小于光滑表面，說(shuō)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(jié)構(gòu)對(duì)池沸騰傳熱強(qiáng)化的原因之一可歸結(jié)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(jié)構(gòu)的上層孔和下層孔大量潛在的核化點(diǎn)活化成型，雙層多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部充滿液體，在加熱壁面附近形成穩(wěn)定的微液層，微液層內(nèi)液體不斷蒸發(fā)維持氣泡生長(zhǎng)，傳熱主要受微液層蒸發(fā)機(jī)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(chǎn)生越來(lái)越多的氣泡。從圖10 所示雙層多孔表面在熱通量為20W/cm2時(shí)氣泡演化圖像可以看出，氣泡在眾多的活化位點(diǎn)成核、生長(zhǎng)、合并后快速脫離表面，氣泡的每一次脫離在主流區(qū)引起液體的劇烈擾動(dòng)，形成強(qiáng)烈的卷吸作用，多孔材料內(nèi)氣泡周期性脫落增加了微尺度效應(yīng)下的氣液交換微對(duì)流作用。多孔表面局部氣膜形成之后，在上一個(gè)氣泡脫離的同時(shí)，緊貼壁面的位置觀察到很多小氣泡，意味著雙層多孔網(wǎng)絡(luò)內(nèi)液體得到及時(shí)補(bǔ)充，熱量被及時(shí)帶走，維持高效的核態(tài)沸騰狀態(tài)。從圖8(a)可以看到，即使在CHF 發(fā)生前，大氣泡底下仍存在一個(gè)小氣泡層，而在大氣泡脫離之后，小氣泡層會(huì)迅速合并成一個(gè)大氣泡，這與Liu 等[20]提出的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)表面的CHF 模型的假設(shè)類似。因此，可以假設(shè)雙層多孔表面液體補(bǔ)充具有兩種不同途徑。納米孔的毛細(xì)芯吸作用實(shí)現(xiàn)了自上而下液體的輸運(yùn)，成為多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部有效的液體補(bǔ)充機(jī)制之一。同時(shí)，雙層多孔層間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)液體，在提供橫向液體輸運(yùn)通道的同時(shí)減小從邊緣到中心補(bǔ)充液體的流動(dòng)阻力，成為另一種有效的液體補(bǔ)充途徑。雙層多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)兩種液體輸運(yùn)路徑可根據(jù)液相壓力損失自適應(yīng)調(diào)節(jié)，避免了由于氣泡快速膨脹擠占單一供液通道而導(dǎo)致多孔材料內(nèi)部或表面出現(xiàn)燒干的現(xiàn)象。

圖10 熱通量為20W/cm2時(shí)雙層多孔表面的氣泡演化（ΔTsub=3K）

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)雙層多孔表面在大氣壓條件下HFE-7100 工質(zhì)過(guò)冷池沸騰傳熱性能和可視化的實(shí)驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論。

（1）通過(guò)飛秒激光可以在硅表面同一位置正交燒蝕二次誘導(dǎo)出二維嵌套的納米孔鏈層級(jí)結(jié)構(gòu)。上層單個(gè)納米孔長(zhǎng)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(dòng)，雙層多孔表面的沸騰起始點(diǎn)在過(guò)冷度為3K和35K時(shí)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(xiàn)出優(yōu)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(jié)構(gòu)具有內(nèi)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(diǎn)，顯著降低核態(tài)沸騰起始所需最小熱通量和壁面過(guò)熱度。

（3）納米孔和雙層結(jié)構(gòu)提供了垂直和水平方向的液體補(bǔ)充通道，不同的表面孔隙尺度和雙層多孔網(wǎng)絡(luò)為液體補(bǔ)充和蒸汽逸出提供自適應(yīng)的氣液協(xié)同輸運(yùn)通道，結(jié)合多孔網(wǎng)絡(luò)中的微液膜蒸發(fā)和微對(duì)流作用可共同增強(qiáng)池沸騰換熱能力。

（4）雙層多孔微納復(fù)合結(jié)構(gòu)在提高臨界熱通量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了沸騰起始過(guò)熱度的降低。通過(guò)減材加工在半導(dǎo)體材料一體成型加工結(jié)構(gòu)避免界面材料造成的接觸熱阻，同時(shí)有效解決了傳統(tǒng)雙層結(jié)構(gòu)的結(jié)合力問(wèn)題，研究可為半導(dǎo)體材料與散熱器件的一體化相變液冷強(qiáng)化表面的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。