在可再生能源高效利用的全球進(jìn)程中，水蒸氣生成技術(shù)作為能量轉(zhuǎn)化與傳輸?shù)暮诵沫h(huán)節(jié)，正成為驅(qū)動(dòng)能源體系低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵突破口。近年來(lái)，研究界圍繞熱能利用效率提升展開(kāi)系統(tǒng)性攻關(guān)，成功構(gòu)建了熱損失最小化的新型熱力學(xué)優(yōu)化模型，并研制出可適配多場(chǎng)景工況的自適應(yīng)蒸發(fā)器系統(tǒng)，為技術(shù)迭代奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。
超表面技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用為蒸發(fā)器性能突破提供了全新范式。作為基于單元胞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的功能化表面，超表面通過(guò)微納尺度孔洞與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的精確調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)對(duì)表面潤(rùn)濕性、聲阻抗等特性的主動(dòng)控制。其中，多孔超表面憑借其單元胞孔結(jié)構(gòu)的可編程特性，展現(xiàn)出對(duì)液體輸運(yùn)、熱擴(kuò)散及多重散射行為的精準(zhǔn)調(diào)控能力。相較于傳統(tǒng)工程系統(tǒng)，此類表面通過(guò)先進(jìn)增材制造技術(shù)，能夠在三維空間構(gòu)建分辨率達(dá)微米級(jí)的化學(xué)梯度與結(jié)構(gòu)異質(zhì)性，從而形成高活性蒸發(fā)界面，顯著提升相變過(guò)程的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。
基于此，來(lái)自千葉工業(yè)大學(xué)和密歇根大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)揭示了3D多孔超表面蒸發(fā)器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)范式。前期，該團(tuán)隊(duì)曾通過(guò)燒結(jié)金屬粉末構(gòu)建了具有微尺度毛細(xì)網(wǎng)絡(luò)的3D超表面蒸發(fā)芯體，實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)效率的階躍式提升。本次研究則是通過(guò)微納3D打印技術(shù)再次構(gòu)建了3D超表面蒸發(fā)芯體，并成功控制了孔隙間距的公差，為太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)蒸汽發(fā)生、工業(yè)余熱回收等領(lǐng)域提供了創(chuàng)新性解決方案。這項(xiàng)研究以“3D-printed, ceramic porous metasurface wick: Hexagonal-prism unit-cell capillary evaporator ”為題發(fā)表于國(guó)際期刊《International Journal of Heat and Mass Transfer》上。
基于之前的研究，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的蒸發(fā)芯體采用晶胞基元結(jié)構(gòu)，在單層多孔基底上集成毛細(xì)動(dòng)脈網(wǎng)絡(luò)，形成兼具液體輸運(yùn)與熱擴(kuò)散的雙重功能體系。該結(jié)構(gòu)通過(guò)延伸蒸發(fā)界面與持續(xù)基底潤(rùn)濕的協(xié)同作用，即使在300 kW/m2級(jí)高熱流密度工況下仍能避免干涸現(xiàn)象。多尺度架構(gòu)設(shè)計(jì)使毛細(xì)力-粘性力動(dòng)態(tài)平衡達(dá)到最優(yōu)，蒸發(fā)速率提升達(dá)50%，熱效率逼近理論極限值（η=0.98）。
而在本次研究實(shí)驗(yàn)中的六角形棱鏡單胞蒸發(fā)器芯則是采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)（microArch? S240，精度：10 μm）制造而成。該芯厚度為375 μm，單元胞的孔隙率ε≈ 0.70，最大毛細(xì)管壓力約為400 Pa，滲透率約為10?9 m2。
圖1. 3D打印六角形棱鏡單胞蒸發(fā)器芯示意圖。
研究團(tuán)隊(duì)在前期實(shí)驗(yàn)階段采用石墨模具分層銅燒結(jié)工藝制備出具有毛細(xì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。然而，傳統(tǒng)燒結(jié)工藝雖能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)成型，卻受限于模具約束與材料單一性。相比之下，摩方微納3D打印技術(shù)通過(guò)無(wú)模具成型與多材料兼容特性，可靈活制備氧化鋁、氧化鋯等高性能陶瓷及特種聚合物芯體結(jié)構(gòu)，突破模具法在結(jié)構(gòu)自由度與設(shè)計(jì)迭代效率上的雙重瓶頸。
圖2. (a)3D打印10mm × 20mm氧化鋁六角形棱鏡蒸發(fā)器的光學(xué)圖像，基底為1mm；(b)掃描x射線顯微鏡（SXM）拍攝的器芯特寫(xiě)。
據(jù)前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，由銅燒結(jié)的集成毛細(xì)網(wǎng)絡(luò)的芯體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了高達(dá)50%的蒸發(fā)率提升，熱效率接近100%。優(yōu)化設(shè)計(jì)通過(guò)避免干涸并保持高液氣界面面積，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的薄膜蒸發(fā)。這種性能提升使這些結(jié)構(gòu)在太陽(yáng)能水蒸汽發(fā)生器、吸附式制冷機(jī)和被動(dòng)冷卻系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。
本次實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步驗(yàn)證了微納3D打印技術(shù)在制備熱管理裝置上的優(yōu)勢(shì)，且助力研究設(shè)計(jì)突破傳統(tǒng)工藝限制，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜微結(jié)構(gòu)芯體的一體化成型，開(kāi)發(fā)周期較傳統(tǒng)方法大幅縮短。此外，摩方開(kāi)源兼容的材料系統(tǒng)支持更多先進(jìn)陶瓷等新材料和超材料的研究開(kāi)發(fā)，為極端環(huán)境下的工業(yè)性材料設(shè)計(jì)開(kāi)辟了可能性。
圖3. (a)用于預(yù)測(cè)有效導(dǎo)熱系數(shù)的熱模擬所得的單元胞內(nèi)截面溫度分布的代表性快照?
