城大最新研發(fā)結(jié)構(gòu)熱裝甲　顛覆1756年的萊頓弗羅斯特效應(yīng)　解決極端高溫壁面液體冷卻失效的世界級(jí)難題

廖卓怡

2022年1月27日

Members of the CityU research team: (from left in front row) Dr Steven Wang, Professor Wang, Professor Pan Chin, Dr Jiang Mengnan (from left in back row) Mr Liu and Mr Li. — 城大研究團(tuán)隊(duì)成員：（前排左起）Steven Wang博士、王教授、潘教授、蔣博士；（後排左起）劉先生和李先生。

香港城市大學(xué)（城大）學(xué)者領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，最新研發(fā)的結(jié)構(gòu)熱裝甲，能有效將液體冷卻的應(yīng)用溫度提升至1,000°C（攝氏）以上，徹底解決266年以來(lái)萊頓弗羅斯特效應(yīng)帶來(lái)的難題。這項(xiàng)突破可應(yīng)用於航空及航天引擎，並提高新一代核反應(yīng)堆的安全及可靠度。

該項(xiàng)目由城大機(jī)械工程學(xué)系王鑽開(kāi)教授、法國(guó)巴黎文理研究大學(xué)David Quéré教授，及吉林大學(xué)未來(lái)科學(xué)國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室主任兼城大香港高等研究院資深院士于吉紅教授共同領(lǐng)導(dǎo)研發(fā)。

研究結(jié)果已於最新一期國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表，題目是「抑制萊頓弗羅斯特效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)1,000°C以上高效熱能冷卻」，亦於《自然》的新聞與觀點(diǎn)欄目刊登。

萊頓弗羅斯特效應(yīng)是1756年發(fā)現(xiàn)的經(jīng)典物理現(xiàn)象。當(dāng)液體滴落在溫度遠(yuǎn)超其沸點(diǎn)的固體表面時(shí)，在液體與超高溫表面之間瞬間產(chǎn)生絕熱的蒸汽層，使液體懸浮並阻斷固液接觸，導(dǎo)致傳熱效果顯著降低，甚至?xí)挂后w對(duì)高溫表面的冷卻失效。長(zhǎng)久以來(lái)科學(xué)家一直無(wú)法克服這個(gè)挑戰(zhàn)。

Figure 1: (a) A STA consists of an array of thick pillars acting as thermal bridges and holding an insulating superhydrophilic membrane that wicks the incoming liquid. This membrane is positioned so as to create channels that can evacuate the vapour (purple arrows). (b) The membrane is made of nanometric silica fibres that are capable of resisting temperatures of up to approximately 1,200°C. — 圖1：(a) 結(jié)構(gòu)熱裝甲設(shè)有一排用作傳熱橋樑的結(jié)實(shí)柱體，並嵌有用以吸走流入液體、超親水的隔熱薄膜。這片薄膜用作構(gòu)建管道，以排走蒸氣（紫色箭嘴所示）。(b) 薄膜以納米二氧化矽纖維製成，能夠抵受高達(dá)攝氏約1,200度。

由城大領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)建構(gòu)了一種多層級(jí)復(fù)合結(jié)構(gòu)熱裝甲，具有熱異相性及多層級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)整體由貫穿的導(dǎo)熱柱體支撐，以起到快速傳熱作用（熱橋）；中層嵌有絕熱的多孔薄膜，以快速吸入及蒸發(fā)液體；底層的U型通道則用作及時(shí)排出蒸氣。這項(xiàng)創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)巧妙實(shí)現(xiàn)了無(wú)阻礙的快速熱傳導(dǎo)，氣液自發(fā)相分離，及液體在極端高溫下的超浸潤(rùn)現(xiàn)象，即使在1,150°C極端高溫下，仍能完全抑制萊頓弗羅斯特效應(yīng)，並在整個(gè)溫度區(qū)間（100至1,150°C）均具有高效、可控的冷卻性能（圖1及圖2）。

Figure 2: High-speed side and top views of water drops (dyed in orange and having a volume of 17 μl) contacting Sample A (no membrane), Sample B (no channel) and Sample C (STA), all brought to 1,000 °C. Water on Sample C gets constantly pinned and sucked by the membrane, which leads to a lifetime of 0.33s, approximately 50 times smaller than that on Samples A & B. — 圖2：高速拍攝染成橙黃色、體積為17微升的水滴，落在三個(gè)溫度均達(dá)攝氏1,000度樣本的側(cè)攝及俯攝圖。樣本A並無(wú)薄膜，樣本B並無(wú)管道，而樣本C則為結(jié)構(gòu)熱裝甲。水滴落在樣本C後，全由薄膜吸納，並於0.33秒內(nèi)蒸發(fā)，相比落在樣本A及樣本B的蒸發(fā)時(shí)間大幅減少約50倍。

王教授說(shuō)：「這項(xiàng)突破性研究成果是表界面科學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、熱能、材料科學(xué)、物理學(xué)、能源及工程學(xué)等跨領(lǐng)域的集成創(chuàng)新。自1756年以來(lái)，科學(xué)家一直致力探索能夠在高溫表面高效液體冷卻的新方法。我們打破了固有的傳熱設(shè)計(jì)思想和結(jié)構(gòu)體系，成功地從基本原理、設(shè)計(jì)和材料上進(jìn)行顛覆性創(chuàng)新，抑製萊頓弗羅斯特現(xiàn)象，將超高溫環(huán)境下高效液體冷卻的不可能轉(zhuǎn)化為可能，這是史無(wú)前例的成果?！?br>
王教授指出，由於萊頓弗羅斯特現(xiàn)象的緣故，目前航空及航天引擎、新一代核反應(yīng)堆等在超高溫下進(jìn)行熱能冷卻，大多是採(cǎi)用低效的氣體冷卻而非高效液體冷卻。

Figure 3: (a) A smooth spheroidal piece of steel can be covered by thick pillars after wire cutting. Inserting a membrane in the pillars provides a curved STA. (b) STA can also be made on thin films of steel, which makes it flexible. The films can be welded onto flat or cylindrical solids. (c) The armours are tested to be able to provide rapid and efficient cooling, as evidenced by the drop in temperature (red data). — 圖3：(a) 光滑的圓形鐵塊經(jīng)絲線切割後，可在上面覆蓋厚柱體；在柱體內(nèi)嵌入薄膜，即可成為曲面的結(jié)構(gòu)熱裝甲。(b) 結(jié)構(gòu)熱裝甲亦可用薄鐵片製成，使其應(yīng)用更加靈活，可焊接在扁平或圓柱形實(shí)體上。(c) 紅線顯示溫度下降的情況，結(jié)構(gòu)熱裝甲經(jīng)測(cè)試證明能夠令物體加快冷卻。

王教授補(bǔ)充說(shuō)：「我們?cè)O(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)熱裝甲，可以製作成柔性器件，並緊固裝配在各種形狀的表面，這樣對(duì)於難以直接微加工的表面也具有巨大的實(shí)用潛力?！梗▓D3）

王教授、Quéré教授及于教授是研究論文的通訊作者，城大機(jī)械工程學(xué)系蔣孟男博士及王洋博士為第一作者。

其他合作者包括中華電力講座教授（核子工程）兼城大機(jī)械工程學(xué)系系主任潘欽教授、助理教授Steven Wang博士、研究助理張歡歡博士、博士生劉法鈺和李玉超，以及香港理工大學(xué)工業(yè)及系統(tǒng)工程學(xué)系杜雪教授和博士生杜晗恒。