01 背景介绍
近年来，热管理技术已成为研究的热门话题。从刚出炉的饮品 “防止高温烫伤”的提示，需要降温才可以饮用，到电子设备由于工作的最高允许温度，需要冷却散热才能正常运转。随着设备的性能越来越高，其散热量也越来越大，比如电子芯片的运算效率越来越高，其总功率密度也在不断增大，而由于其尺寸越来越小，则散热的热流密度会越来越大。这就势必会影响电子元件的正常工作和使用寿命，所以电子元件的散热问题亟待解决。目前在已使用的散热方式应用上，有选择高导热系数材料制造元件，从导热的层面来解决散热问题；除此之外，还有加装散热器的方式，比如设计翅片散热器，通过增加外表面积，以及增强表面低温流体的扰动来加速散热；还有热管、均热板加装在散热壁面等方面。除此之外，利用沸腾的方式，通过气液两相转换来进行散热，效果很好。池沸腾作为一种远超传统的高效传热方式，通过增加表面微观结构和纳米多孔涂层，可以有效的增强传热性能。
02 研究内容
表面涂层改性方法可以分为物理改性和化学改性两大类，安徽工业大学楚化强教授等研究者分别进行了总结和评价。常用的物理方法有自旋镀膜法、磁控溅射法等，常用的化学方法有化学气相沉积法、电化学阴极法、阳极法等。物理加工涂层的方式有很多，其主要手段是通过强大的外力、高温熔融、高速粒子发射等方面来将涂装粒子与基底相结合，原理较简单，但对设备的性能要求比较高。化学加工的方式主要是利用化学反应在裸表面上生长出结构，更强调“生长”，表明表面结构的形成一定有过程性，这种形成特征决定了结构形成较为均匀。通过表面改性提高CHF的方法一般考虑如下方面：（1）在材料表面增加物理结构，包括大尺寸结构、微细尺寸结构等；（2）在材料表面通过化学处理增加涂层，包括电化学方法增加镀层、表面覆盖纳米颗粒、表面生长纳米管、以及分区域涂层结构，也称作异构表面，即多种表面分布在同一表面的不同区域，常为亲疏水表面交错分布结构等。从实际研究中可知，以上两方面的表面改性方法分类并不一定相互独立。
图1 常用于池沸腾领域的表面改性加工工艺
图2 部分物理涂层加工工艺
图3 部分化学涂层类别
具体来看，通过电化学沉积改性得到的多孔亲水表面，具有优异的池沸腾换热能力。课题组设计了一种梯度多孔表面的制备方法，并探究沉积过程添加剂Cl-的浓度及电解液温度等参数对于表面形貌的影响，实验制备的所有表面均具有优异的超亲水特性。将较优异的表面应用于池沸腾，并系统分析了制备的试样表面的传热特性及气泡行为规律。
图4 电化学沉积的阴极沉积原理
关于传热强化机理的解释有很多。从宏观上看，可以把沸腾过程划分为气泡成核、生长、脱离以及空位再润湿，这四个步骤往复循环。沸腾之所以传热性能远胜于强制对流，其根本原因是气泡的形成、成长以及脱离加热表面所引起的各种扰动，强化沸腾效果。涂层表面结构不同于一般微观结构，具有多纳米级孔的特征，所以影响机理的解释需要考虑纳米级结构的特殊性，一般有气泡动力学、表面润湿性、表面粗糙度、水动力不稳定性、宏观干燥层这些宏观类解释；以及毛细作用、热/干点、半月板负压、气泡受力这些微观类解释。
图5 常见强化沸腾传热的机理及其作用阶段
图6 常见沸腾强化机理的具体作用效果
03 总结展望
本文总结了池沸腾换热表面改性研究中物理涂层和化学涂层的流程、影响因素和效果，为今后研究者选择表面结构改善工艺提供参考。对于机理的解释和应用，有助于研究者们更好的分析沸腾现象，寻找更好的表面结构。
1）在应用于沸腾强化的涂层制备工艺上，电化学阳极法的研究前景最广，通过施加不同的两极电压、改变不同电解质配方以及电解时间，可以控制涂层的厚度和性能，对沸腾性能的影响范围更大；
2）由于改善沸腾传热的关键在于增加汽化核心数，虽然制备涂层的方法有很多，但是很多工艺只能制备均匀光滑或者耐磨的涂层，这并不能增加沸腾时的汽化核心数，所以这些工艺在池沸腾领域应用很少。
3）纳米涂层的制备工艺与微观结构表面的结合，也逐渐引起关注，合理的结合可以让结构同时具备两种改性办法的优势，其难点在于在微观结构的基础上制备涂层，工艺上很难达到均匀的涂层厚度；
4）解释表面改性对沸腾传热的影响机理有很多，有表面润湿性、毛细芯吸作用等，其中用蒸发的负压作用来解释沸腾增强较为少见，从已有的文献解释来看比较合理，此观点具有一定的前瞻性。随着表面改性的方法越来越多，原有的机理会逐渐满足不了新现象的解释，在实际的沸腾影响中，有可能是几种影响同时作用的效果，这方面有待进一步研究。
5）考虑到沸腾的气泡成核、生长、脱离和空位的再润湿四个环节，要想制备强化沸腾传热的涂层，仅关注其中一个环节的强化效果，很有可能会造成其他环节的抑制作用，这样反而会造成传热恶化。
04 文献信息
Huaqiang Chu, Nian Xu, Xinyu Yu, Hantao Jiang, Weigang Ma*, Fen Qiao**. Review of Surface Modification in Pool Boiling Application: Coating Manufacturing Process and Heat Transfer Enhancement Mechanism. Applied Thermal Engineering, 2022, 215: 119041.
https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.119041
