表面涂層技術強化池沸騰傳熱的研究進展

雷晴禾，高文忠，王詩悅，史文軍

(上海海事大學 商船學院，上海 201306)

池沸騰利用冷卻流體的顯熱和潛熱，在較低溫差下產(chǎn)生相變傳遞大量的熱量，廣泛用于冷卻低溫和高溫環(huán)境，如電子設備、換熱器和核反應堆等設備[1]。為實現(xiàn)更高效的冷卻，研究強化池沸騰傳熱十分必要。一般改變工質(zhì)熱物理性質(zhì)[2-3]和加熱表面處理，目前，表面結構處理工藝有機械加工技術[4]、化學工藝技術[5]及表面涂層技術[6]，隨著沸騰傳熱表面從常規(guī)大尺度向微納米尺度的轉(zhuǎn)變，相較于前兩種工藝技術，涂層表面更易實現(xiàn)多尺度的強化沸騰[7]，且制備成本較低，滿足溫差小且熱流大的復雜換熱需求，具有重要的科研價值和工程價值，是研究強化池沸騰的熱點。

1 涂層表面的制備

表面涂層技術是重要的表面改性技術之一，用特殊工藝將其他材料在基底表面上形成涂層，在實際工程中達到表面多功能的需求[8]。最早的涂層制備是直接用粘合環(huán)氧樹脂在基底表面粘涂上細小顆粒，如導熱性高的人造金剛石顆粒，在基體表面形成有空穴的多孔層結構，有效增加了氣化核心密度[9]，從此打開了人們制備各種涂層表面用于池沸騰強化的大門。目前，常見表面涂層工藝有燒結、噴涂、電化學沉積及化學氣相沉積等[10-11]。

燒結法是在基體材料上涂上粘結劑，將金屬顆粒(絲網(wǎng)或泡沫金屬等)覆蓋在基底材料上，風干后在燒結爐內(nèi)形成涂層。周述璋[12]在銅管表面利用高溫燒結制備金屬銅粉層，表示燒結粒徑越小，沸騰傳熱性能越好。熱噴涂法是將細小金屬或非金屬顆粒熔化后，用高速氣流噴射在基體表面形成涂層。肖平[13]在不銹鋼基上采用氧-乙炔火焰噴涂金屬粉末制備多孔層，觀察氣泡起始沸騰。電化學沉積法(電鍍)通過鍍液中金屬離子在基體與溶液接觸表面獲得電子，并還原成金屬原子沉積形成涂層。鍍液中粒子濃度、溫度、pH值及電流密度是制備涂層的關鍵參數(shù)。Nazari等[14]采用陽極氧化技術使在鋁基板表面鍍覆氧化鋁，得到的納米結構涂層提高了潤濕性。化學氣相沉積法通常待涂覆的表面暴露于一種或幾種氣相化合物或單質(zhì)氣體中，利用氣相作用在表面及其附近引起化學反應形成沉積涂層。Ho等[15]以鐵為催化劑，純乙炔(C2H2)為碳源，制備了215 μm厚的碳納米管涂層。

這幾種方法都是表面涂層較為成熟的制備方式，燒結法制備的涂層與基體結合強度較高，但對基體材料要求高，不適合溫度敏感材料；噴涂法對基體材料損失小、材質(zhì)可選范圍大、不受表面形狀限制，但存在熱效率低及材料浪費問題。電鍍法和化學氣相沉積普遍用于微、納米級沉積涂層的制備，如納米顆粒、納米纖維、納米管等。與電鍍法比，化學沉積法制備的涂層污染小，基體與沉積材質(zhì)選擇廣泛，制備簡單且成本低廉。但長期運行后性能可能存在嚴重弱化，因此提高沸騰結構的強度是涂層表面制備的重點[16]。

除了傳統(tǒng)的方式外，新的表面涂層技術也在不斷開發(fā)。Surtaev[17]采用新型等離子噴涂方法，孔隙率高達60%；Takata[18]采用浸漬法在銅基體表面制備TiO2涂層可以有效強化沸騰傳熱；Sarangi[19]提供一種自由粒子燒結涂層法，將銅顆粒松散的放置在銅基體面上，不同粒徑顆粒間接觸點形成空腔提高汽化核心密度。此外，復合涂層也是研究的熱點，如Wan等[20]對銅基體先進行電鍍鋅的表面合金化處理，再在0.125 mol/L HCl溶液中進行腐蝕脫合金處理，得到孔隙有序、潤濕性良好的納米多孔銅涂層。

2 表面涂層的池沸騰傳熱實驗研究

表面涂層通常由顆粒(最常見)、管、絲網(wǎng)、泡沫單元等組成附著在基體表面上，形成許多微孔并構成流道。涂層結構可以有效的增加加熱面有效換熱面積，結構提供更多的汽化核心點，并且也能提升加熱面的毛細作用及表面潤濕性，達到有效提升強化沸騰傳熱性能的效果。因此，學者們對不同表面涂層進行池沸騰實驗研究，觀察氣泡的成長進程，探究對池沸騰傳熱過程的具體影響。

2.1 表面涂層結構對池沸騰傳熱的影響

換熱表面的幾何因素(大小、形狀、表面粗糙度等)都對池沸騰換熱性能有影響，因此，研究附在加熱表面涂層結構參數(shù)是評估性能優(yōu)劣的重點。肖平[13]在不銹鋼基上采用火焰噴涂金屬粉末制備多孔涂層，進行了去離子水池沸騰的可視實驗研究。得出結論：與光滑表面相比，多孔涂層的起始沸騰過熱度降低了1.4～2.7 K，降低了氣泡的成核勢能；觀察到多孔層能產(chǎn)生更多氣泡，明顯增加了汽化核心數(shù)，脫離氣泡小且不易聚，延遲膜態(tài)沸騰，從而提高臨界熱流密度。

Jun等[21]制備不同粒徑的多孔顆粒涂層，研究了常壓飽和水在燒結銅顆粒包覆銅表面的池沸騰傳熱。當燒結微孔涂層的粒徑為67 μm時，296,428 μm 涂層厚度分別得到核沸騰最大傳熱系數(shù)400 kW/K和臨界熱流密度210 W/cm2，是普通銅表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的8倍，臨界熱流密度的2倍。雖然傳熱系數(shù)和臨界熱流密度隨著涂層粒徑的增大，均呈增加趨勢，但超過優(yōu)化厚度后，沸騰傳熱系數(shù)降低。

Souza[22]在飽和HFE7100溶液池沸騰實驗分析了表面粗糙度與納米顆粒直徑的比值對臨界熱流密度影響，比值增加并不一定提高臨界熱流密度。如比值越接近1，臨界熱流密度反而下降了37%，這是由于成核點變多，需要更大的過熱度激活成核點。此外，與表面粗糙度相比，納米顆粒在受熱面上的粘附對約束沸騰過程中起著更重要的作用。

隨著科技的不斷發(fā)展，換熱面的尺度不僅從宏觀尺度到微尺度的轉(zhuǎn)變，也從單一尺度向多(跨)尺度轉(zhuǎn)變。Vemuri等[23]在制備了納米多孔涂層(直徑為50～250 nm)，以FC-72為工質(zhì)進行飽和池沸騰實驗。研究結果表明，與普通涂層(環(huán)氧樹脂)相比，該納米涂層表面使初始過熱度降低了30%。

Sanjay[24]采用電鍍法制備納米復合鍍層進行去離子水池沸騰實驗，結果表示，納米復合涂層在較小過熱度下臨界熱流高達1 852 kW/m2，傳熱系數(shù)為199 kW/m2K，比未處理表面分別提高了72.5%,273%；該表面的多孔結構體積小，不僅增加了有效換熱面積，其表面粗糙化提升了汽化核心密度，形成的納米孔內(nèi)毛細力增加了流體的流動，進而強化池沸騰傳熱效果明顯。

Zhou等[25]對矩形開口微槽表面濺射沉積鈦納米涂層形成的微納復合表面進行池沸騰實驗研究。結果表示,復合表面的上氣泡變化周期隨著熱流密度增大而減小，縮短了僅微槽表面的氣泡變化周期，增加其氣泡的脫離頻率，除了比表面積的增加，還有納米涂層內(nèi)固液界面產(chǎn)生的相互作用；一定范圍內(nèi)隨納米涂層厚度增加，復合表面氣泡周期減小，強化傳熱效果顯著。

多孔涂層在低熱流密度下對池沸騰強化傳熱有較好的效果，但高熱流密度下熱阻變大。熱阻是影響表面過熱的主要因素，當蒸汽層不斷填充多孔結構，會加快膜沸騰的轉(zhuǎn)變，迅速達到臨界熱流密度。Deng等[26]在多孔表面涂層上開鑿凹腔通道進行池沸騰實驗，與具有同結構凹腔普通表面相比，多孔結構的凹腔在核沸騰階段壁面過熱度明顯下降，其傳熱效率提高了3～5.3倍。因此，采取在多孔表面涂層上開鑿通道，破壞其蒸汽層讓蒸汽逸出，可實現(xiàn)有效的汽液分離[27]。

表面涂層的應用范圍較廣，尤其微、納米尺度結構的涂層適用更精密的池沸騰，多(跨)尺度的復合表面從根本上增加有效換熱面積，并縮短氣泡的生長周期，并利用毛細力延緩表面氣膜形成，降低壁面過熱度，進而推遲臨界沸騰點，達到強化池沸騰傳熱的效果。但涂層畢竟是附著在基體表面的，與基體結構并不是整體，需長期實驗觀察性能變化，因此涂層性能的優(yōu)異整體評價是一個復雜的長期工作。

2.2 表面涂層潤濕性對池沸騰傳熱的影響

在池沸騰傳熱過程中，汽泡的產(chǎn)生、生長及脫離是主要的傳熱環(huán)節(jié)，表面潤濕性與汽泡一系列行為密切相關。因此，加熱面材料改變加熱表面潤濕性可有效的調(diào)整汽泡的發(fā)展進程，從而強化沸騰傳熱[28]。

Mao[29]在銅表面得到連續(xù)且排列良好氧化石墨烯納米結構涂層，進行了飽和蒸餾水過冷池沸騰實驗，發(fā)現(xiàn)該表面具有高導熱性，可提高表面潤濕性及表面粗糙度；隨著過冷度增加，臨界熱流密度和最大換熱系數(shù)均增加，過冷度為19 K時，臨界熱流密度為274 W/cm2；汽泡隨著液體過冷度的增加變小、生長速率變慢。

張少峰[30]在無機酸性和有機中性電解溶液中制備二氧化鈦納米管陣列表面，實驗得出兩種納米表面均有親水性，汽化核心數(shù)量增加，明顯提高傳熱系數(shù)和臨界熱流密度；其中，有機中性電解液制備的納米管管徑大壁厚、不易脫落，強化池沸騰傳熱的性能更優(yōu)。Fan等[31]將TiO2顆粒噴涂在不銹鋼球表面得到超親水表面，測試出該表面對強化池沸騰傳熱效果顯著，臨界熱流密度增加了78%。

Takata[20]用不同親疏水性TiO2涂層實驗得出表面接觸角是影響表面潤濕性主要的影響因素，接觸角越小，沸騰表面親水性就越強，進而強化沸騰傳熱效果越好。隨后其團隊[32]發(fā)現(xiàn)含有鎳和PTEE細顆粒涂層的超疏水表面(接觸角150°)初始成核過熱度極低，導致沸騰快速惡化進入膜態(tài)沸騰，會形成穩(wěn)定的膜態(tài)沸騰；過冷沸騰時汽泡還可能在低于飽和溫度的情況下生成；但沸騰過程幾乎略過核態(tài)沸騰過程，不存在沸騰遲滯現(xiàn)象。Teodri[33]也表示超疏水表面極易聚集大氣泡，但在過熱度1～2 K時就進入膜態(tài)沸騰，惡化沸騰傳熱。

親水性表面下汽泡相對阻力小，汽泡脫離半徑小而快，促進工作流體補充，提高臨界熱流密度。疏水表面的疏水性不適合高熱流區(qū)，但親氣性可促進氣泡核化，在較低的過熱度小產(chǎn)生汽泡，強化低熱流區(qū)沸騰換熱。Jo等[34]發(fā)現(xiàn)改變電鍍時間可得到親水性或疏水性高納米結構表面，證明親、疏水性對換熱均可改善整體換熱。因此，學者們將單一親水表面和單一疏水表面結合一起，研究組合表面池沸騰傳熱性能。

Betz[35]發(fā)現(xiàn)親水性表面上的疏水點，與普通親水表面相比，可以使沸騰傳熱系數(shù)和臨界熱流密度分別提高100%和65%。隨后Betz[36]研制親-疏水超級表面(SBPi)發(fā)現(xiàn)傳熱系數(shù)可超過150 kW/m2K，臨界熱流密度高達1 350 kW/m2，是普通納米涂層表面的3倍。并建立了SBPi表面分析模型，當疏水區(qū)域增加成核點，周圍的親水區(qū)域限制了生長氣泡的接觸直徑，防止表面被氣泡飽和，即延遲臨界沸騰點。

Zupanci[37]將疏水涂層與激光法制備的親水不銹鋼表面組合進行池沸騰實驗，該親-疏水結合表面明顯強化了池沸騰傳熱，臨界熱流密度CHF增加了200%。因此，涂層結構在不改變基底加熱面材料的基礎上，改變了工質(zhì)與接觸面減的潤濕性，并對氣泡行為有直接影響。親疏水性的混合涂層表面的性能優(yōu)良，但是針對不同混合表面的最佳配比，最大程度強化池沸騰換熱將是今后研究的重點。

3 總結與展望

表面涂層技術為強化池沸騰傳熱提供了有效途徑，更大程度上的擴大了其應用領域，本文回顧了近些年部分關于表面涂層技術強化池沸騰傳熱的研究成果，主要分析了涂層結構及表面潤濕性對池沸騰傳熱影響。

涂層對強化池沸騰傳熱的重要性是毋庸置疑的，但其還存在著不足:(1)現(xiàn)有表面涂層制備工藝雖然很成熟，性能優(yōu)異的表面制備還不能大規(guī)模的應用，且存在長期運行性能衰退的可能性，因此制備方式及維持表面穩(wěn)定性還需進一步的研究;(2)由于池沸騰換熱的復雜性，涂層結構的多樣性和不規(guī)則，造成模型建立困難，實驗與不同模擬驗證結果差異較大，得出涂層經(jīng)典數(shù)值模型從機理上認識涂層沸騰強化也是未來研究的重點。