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
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年以來萊頓弗羅斯特效應(yīng)帶來的難題。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)系王鑽開教授、法國巴黎文理研究大學(xué)David Quéré教授，及吉林大學(xué)未來科學(xué)國際合作聯(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。長久以來科學(xué)家一直無法克服這個(gè)挑戰(zhàn)。
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）。
王教授說：「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，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，這是史無前例的成果。」
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，大多是採用低效的氣體冷卻而非高效液體冷卻。
王教授補(bǔ)充說：「我們設(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。」（圖3）
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。