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第57卷第12期

2020年12月

撳纳电子技术

Micronanoelectronic

Technology

Vol

. 57

No

. 12

December

2020

微纳结构沸腾表面构建及传热性能的研究进展

曹泷1，杨辉

S

吴学红周振华2

(1.郑州轻工业大学能源与动力工程学院，郑州 450002;

2.郑州地铁集团有限公司，郑州 450016)

摘要：

综述了微纳结构沸腾表面的构建方法及强化性能最新研究进展，根据表面结构形式，将其

分为纳米结构表面、微米结构表面、多孔表面和微/纳复合表面。纳米结构表面主要采用化学方

法构建，可有效增强表面气泡成核及脱离频率。微米结构表面多采用刻蚀法和沉积法进行构建，

增加了表面有效传热面积。多孔表面一般采用烧结成型，增加了表面有效传热面积以及核化点密

度。微/纳复合表面在沸腾过程不同尺度下强化了传热性能，可实现稳定核态沸腾，是今后沸腾

表面研究的发展方向。

关键词

：沸腾表面；微纳结构；烧结；蚀刻；自组装；强化传热

中图分类号：

TK

124

文献标识码：

A

文章编号

：

1671-4776 (2020) 12-(>982-10

Research Progress of the Construction and Heat Transfer

Characteristics of Boiling Surfaces with Micro-Nano Structures

Cao

Shuang

1 ,

Yang

Hui

1 ,

Wu

Xuehong

1 ,

Zhou

Zhenhua

2

(1.

School of Energy and Puzver Engineering

,

Zhengzhou University of Light Industry Zhengzhou

450002,

China

；

2. Zhengzhou Metro Group Co.

,

Ltd.

,

Zhengzhou

450016,

China)

Abstract

：

The

latest

research

progresses

of

the

construction

method

and

heat

transfer

enhancement

characteristics

of

the

boiling

surfaces

with

micro-nano

structures

are

reviewed

.

According

to

the

forms

of

the

surface

structure

,

the

boiling

surfaces

are

classified

into

nano

­

structure

surfaces

,

micro-structure

surfaces

,

porous

surfaces

and

micro-nano

composite

surfaces

.

The

nano-structure

surfaces

are

mainly

constructed

by

chemical

methods

,

which

can

effectively

increase

the

surface

bubbles

nucleation

and

separation

frequencies

.

Etching

and

deposition

methods

are

often

used

to

construct

the

micro-structure

surfaces

,

which

can

increase

the

surface

effective

heat

transfer

area

.

The

porous

surfaces

are

usually

sintered

to

increase

the

surface

effective

heat

transfer

area

and

nucleating

point

density

.

The

micro-nano

composite

surfaces

can

enhance

the

heat

transfer

performance

at

different

scales

in

the

boiling

process

and

realize

stable

nucleate

boiling

,

which

is

a

development

trend

of

the

boiling

surface

research

in

the

future

.

Key

words

：

boiling

surface

；

micro-nano

structure

；

sintering

；

etching

；

self

-

assembly

；

heat

transfer

enhancement

收稿日期：2020-05-26

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51(川6231);河南省髙等学校重点科研项目（2()A47()(n2);郑州轻工业大学众创空间孵化项目

(2019ZCKJ106)

E-mail ： caos@

982

曹泷等：微纳结构沸腾表面构建及传热性能的研究进展

DOI

： 10. 13250/

j

.

cnki

.

wndz

. 2020. 12. 005

PACC

： 4430

()引百

沸腾传热作为一种伴随着气液相变的高效能量

传递方式，具有传热温差小和热流密度大等特点，

由于微电子器件小型化及集成度高的发展特点，其

对高效散热方式也提出了较高的要求，相应地沸腾

传热的应用将具有巨大的优势。表面结构对于沸腾

传热性能有很大的影响，根据经典沸腾理论，好的

沸腾表面需要有如下特征：较大的比表面积、稳定

的气化核心及与功能匹配的浸润性等，其中较大的

比表面积可以增大有效传热面积；稳定的气化核心

可以促进核化沸腾，核化点尺寸、密度、布局及形

状对沸腾传热性能具有重要的影响；而浸润性对于

沸腾传热具有多重作用，一方面亲水表面有利于气

泡的脱离和壁面的再浸润，另一方面疏水表面则由

于形成了气泡膜层，阻止了液体的流动，从而降低

了临界热流密度^。在沸腾表面上构建一定形式的

微纳结构可有效增加有效传热面积、提供稳定的气

化核心以及增强表面浸润性，是一种有效强化沸腾

传热的技术手段。由于沸腾传热是一个多尺度的过

程，不同尺度的沸腾表面，其强化传热机理也不

同，微米表面主要是通过增加有效传热面积来强化

沸腾传热；而纳米表面则主要是由于毛细力的存在

延缓了表面气膜形成，降低了壁面过热度，同时增

强气泡成核及脱离频率[2]。但在目前国内外众多学

者关于沸腾传热的研究中，沸腾表面的构建形式及

处理方式多种多样，有必要对沸腾表面的构建方法

及其传热性能进行探究。

1纳米结构表面

在沸腾表面构建一层纳米结构可有效增加核化

点密度、增强表面浸润性以及毛细力，提高了沸腾

初期气泡的成核以及脱离频率，是目前研究的热点

课题。根据实现形式，纳米结构表面可分为纳米线、

纳米管、纳米材料自组装及纳米结构涂覆等几种。

1.1纳米线

构建纳米线表面常用的方法是电化学模板

辅助法，该方法是将具有纳米结构的物质（例

如多孔阳极氧化铝

PAA

)作为模板，通过电化

学的方法将相关材料沉积到基体表面上，然后

移去模板得到规范形貌和尺寸的纳米结构表面。

2(112 年，

A

.

K

.

M

.

M

.

Morshed

等人[3]以电化学

模板辅助法在微通道底部表面构建了铜纳米线，并

进行了水平方向去离子水流动沸腾实验。与裸表面

相比，铜纳米线表面的过热度降低了 4〜12 °

C

,换

热系数增加了 56%,压降增加了 20%,但在长达

144

h

的实验中发现纳米线明显脱落。2018年，

G

.

U

.

Kumar

等人w通过电化学模板辅助法在铜表面

构建了铜纳米线和银纳米线（如图1 (

a

)和（

b

)所

示），氧化铝模板扫描电子显微镜（

SEM

)图如图1

(

c

)所示。实验表明：与裸铜表面相比，铜纳米线

表面和银纳米线表面的沸腾起始过热度最大分別可

降低52. 63%和49. 12%,临界热流密度（

CHF

)分

别可提高37. 13%和34. 73%，沸腾换热系数

(

HTC

)分别提高了 156. 52%和 145.57%。

U)铜纳米线 （b)银纳米线

(C)氧化铝模板

图1铜表面纳米线SEM图W

Fig. 1 SEM images of Cu surface nanowires^4^

金属辅助刻蚀法也是构建纳米线表面的一种有

效方法，一般是对硅基进行蚀刻处理，以形成硅纳

米线。首先将硅基浸人硝酸银和氢氟酸溶液中进行

刻蚀，在硅表面银离子还原成银纳米粒子后被氢氟

酸腐蚀，纳米粒子定义了刻蚀空间区域，经过连续

的氧化和刻蚀，未刻蚀区域形成了硅纳米线。2(117

年，

D

.

II

Shim

等人⑴在硅表面上构建了定向硅纳

米线以及随机硅纳米线两种微结构（图2)。水池

983

微纳电子技术

沸腾实验结果表明，定向硅纳米线表面的

CHF

最

大为245.6

W

/

cm

2，相比裸硅表面提高了 178%，

比金属辅助化学刻蚀法构建的随机硅纳米线表面提

高了 26%。且

CHF

随着纳米线高度的增加而增

加，与随机硅纳米线表面的变化趋势相反。2018

年，

D

.

Lee

等人[6]先将硅表面分别用体积比为3: 1

的

H

2

S

04和

H

202混合液清洗4()

min

、甲醇清洗

5

min

和丙酮清洗5

min

后放人刻蚀液（5

mol/L

的

HF

和（).02

mol

/

L

的

AgN

()3)中，在室温条件

下刻蚀硅纳米线。池沸腾实验表明，在饱和温度

下，纳米线表面的

CHF

比普通表面提高了 115%,

同时该表面可以提高剧烈沸腾条件下的热稳定性。

(a)定向硅纳米线 （b)随机硅纳米线

图2硅纳米线表面SEM图W

Fig. 2 SEM images of the silicon nanowire surface^5^

掠角沉积（

GLAD

)法也常被用于构建纳米线

表面。

GLAD

法实际上是一种物理气相沉积过程，

可以利用各种材料通过控制入射角度和基底旋转速

度获得各种形状的纳米结构[7]。2008年，

C

.

Li

等

人^通过

GLAD

法在抛光铜基上构建了倾斜铜纳米

结构，并进行了池沸腾实验.发现纳米表面的沸腾

起始过热度变小，

CHF

有所提高，但是稳定性较

差。2010年，

M

.§

e

5

en

等人

w

通过

GLAD

法在硅基

表面沉积一层铜薄膜作为对照实验样品，随后在该

表面上沉积了一层铜纳米线结构（图3)，池沸腾实

验表明铜纳米线表面的

HTC

最大可提高400%。

U)顶部形貌 （b)侧面形貌

图3 铜纳米线的SEM图™

Fig. 3 SEM images of Cu nanowiresL';

984

1.2纳米管

纳米管是另一种纳米表面的表现形式，其具有

典型中空结构的特征。阳极氧化法可以在表面构建

纳米管，其工艺主要将预氧化表面作为阳极，在特

定电解液中利用电化学阳极氧化在其表面形成氧化

物。该方法构建沸腾表面较为简单，结构可控（纳

米管直径和长度），但是影响参数众多。

2(112年，邓鹏等人[

UI

]采用阳极氧化法在

Ti

金

属表面构建了

Ti

〇2纳米管（如图4 (

a

)所示），

并以水为工质进行了池沸腾实验研究。结果表明，

该表面可以降低沸腾起始点，且

HTC

最大可增加

136%。同年，

J

.

Xu

等人["]构建了多种尺度

Ti

()2

纳米管阵列沸腾表面（如图4 (

b

)所示）。结果表

明：与

Ti

裸表面相比，其初始沸腾过热度最大减

少了 11

K

,

CHF

增加了近 58

W

/

cm2，HTC

是裸

表面的1.86倍。但是稳定较差，经长时间实验后

表面会发生严重变形，沸腾性能降低。

(a) Ti02纳米管表面™ (b) TiCMft米管阵列表面間

图4纳米管表面SEM图

Fig. 4 SEM images of the nanotube surface^10'

另一种常用的方法是采用化学气相沉积法在基

体表面构建纳米管，主要集中于碳纳米管（

CNT

)

的构建，但是单纯

CNT

与基体之间的附着力较

差

n

2],通常通过增加中间层来提高基体与

CNT

之

间的附着力。2016年，

M

.

Dharmendra

等人Ll3]对

比了裸表面、喷砂铜表面以及喷砂铜基体

CNT

表

面的沸腾传热性能。实验结果表明，

CNT

表面和

喷砂表面的

CHF

比裸铜表面提高了 38%和8. 5%，

HTC

分别提高了 8(1%和13%。此外，采用化学气

相沉积法构建的硅基多壁碳纳米管（

MWCNT

)表

面在低速和高速流动沸腾实验中对热流密度也有增

强作用[14〜。

1.3纳米材料自组装

近年来，纳米流体作为一种新型的传热流体引

曹泷等：微纳结构沸腾表面构建及传热性能的研究进展

起了广泛的关注〜〜3，当纳米颗粒浓度较低

((>.001%〜0.01%)时，

CHF

会显著增加，一些

实验研究和观察结果发现在沸腾过程中纳米颗粒会

沉积在加热表面上，从而引起传热性能的改

善[^9]。因此，一些学者对纳米流体自沉积表面

的沸腾效果进行了探究。

2017 年，

M

. 1.

Pryazhnikov

等人[2°]以蒸馏水

和硅纳米颗粒为基础，经机械搅拌、超声处理

30

min

后制备了纳米流体，不添加表面活性剂，体

积分数为2%。将

Si

()2 -水纳米流体预热至沸点，

在热流密度为1

MW

/

m

2下沸腾25

min

,纳米

SiC

)2自沉积在金属丝表面上，然后进行了水池沸

腾实验，发现

Si

02沉积表面的

CHF

可达到裸线表

面的2. 7倍。此外，纳米片沸腾自组装也可用来构

建纳米表面。2(119年，毛兰等人利用氧化石墨

烯（

GO

)纳米片沸腾自组装法构建了

GO

纳米表

面，发现该表面显著降低了换热壁面的过热度，其

CHF

和

HTC

相比于光滑铜表面分别提高了

66. 4%和 86. 9%。

1.4纳米结构涂覆

纳米结构涂覆是指将已经制备好的一些纳米结

构，如纳米线和纳米管等通过另外的方法将其涂覆

到基体表面上，以提高沸腾性能。2016年，

H

.

Seo

等人％构建了石墨烯/单壁碳纳米管

(

SWCNT

)混合涂覆表面，如图5 (

a

)所示。

FC

-72池沸腾实验表明：相比光表面，石墨烯/

SWCNT

混合涂覆表面的

HTC

和

CHF

分别提高

了 55% 和 18%。2017 年，

G

.

H

.

Seo

等人[23]通过

浸人式逐层沉积法在不锈钢表面涂覆了聚乙烯亚胺

(

PEI

)和

MWCNT

，表面结构如图5 (

b

)所示，

CHF

最大增强了 94%。

(a)石墨烯/SWCNT (b)聚乙烯亚胺和多壁

混合涂覆表面1331 碳纳米管表面M

图5纳米结构涂覆表面SEM图

Fig. 5 SEM images of the coating surfaces of nanostructures^22 ~ 23^

超音速喷涂法也可用来构建纳米结构涂覆表

面。超音速喷涂时的高速冲击会引起银纳米线自烧

结现象，增强纳米线与基底的粘结强度

[24]。

2018

年，

H

.

S

.

Jo

等人[〜通过超音速喷涂法在铜表面涂

覆银纳米线，并进行了水池沸腾实验，超音速喷涂

过程如图6 (

a

)所示。银纳米线前驱体通过注射

泵以1.2

mL

/

min

的流速注人到喷嘴中，在4

bar

(1

bar

= 105

Pa

)和220 °

C

条件下加速到超音速从

喷嘴喷出，经超声雾化器雾化，异丙醇（

IPA

)溶

剂在飞行中完全蒸发，只有

Ag

纳米线沉积到铜表

面上，最终得到表面结构如图6 (

b

)所示。结果

表明，涂覆表面的过冷沸腾起始点（

ONB

)出现

较早，传热系数显著提高，且

CHF

最高可达到

().65

MW

/

m

2。

纳米织构涂层构建过程

(a)超音速喷涂 （b)银纳米线涂覆

过程示意图 表面形貌

图6超音速喷涂过程示意图及银纳米线涂覆

表面形貌[25]

Fig. 6 Schematic diagram of the supersonic spraying process and

surface morphology of silver nanowire coating[25]

2微米结构表面

微米结构表面是一种比较经典的强化沸腾表面

结构，一般采用物理成型的方法在沸腾面上构建相

对均匀稳定的亚微米以及微米尺度（1(

K

)

nm

〜

1(>

pm

)的表面结构形式，常用的构建方法可分为

刻蚀法、沉积法以及复合法等。

2. 1刻蚀法

反应离子刻蚀可以在基底上构建出具有几何形

状的图案，有助于提高表面沸腾性能。2016年，

Y

.

Y

.

Zhu

等人[〜通过深度反应离子刻蚀法在硅微

通道底部表面构建了微柱阵列结构（图7)，发现

微柱表面提高了流动稳定性，

CHF

最大提高了

57%,且压降增加可忽略不计。

985

徽鈉电子技术

WMM

图7微通道的SEM图及放大后的微柱和

底部角落的侧壁[26]

Fig. 7 SEM images of the microchannel, the enlarged microco-

lumn and the side wall in the bottom corner[26」

激光刻蚀比反应离子刻蚀要节省成本，并且可

以构建复杂的表面几何图案。2

U

17年，

M

.

Zupan

6

i

纟等人[27]通过纳秒激光刻蚀的方法构建

了均勻和非均匀两种形貌的微结构不锈钢表面。池

沸腾实验表明：与未处理表面相比，均匀微结构表

面

HTC

可提高40%，而非均匀微结构表面

HTC

可提高110%。2020年，

D

.

Mani

等人[28]通过皮秒

激光刻蚀法构建了微结构铜表面，并进行了池沸腾

实验。与裸铜表面相比，微结构铜表面沸腾起始的

过热度最大降低了 52.2%,且随着结构深度的增

加，

CHF

和

HTC

增大。

2. 2沉积法

沉积法可以通过控制电流密度、电解液浓度和

沉积时间等参数，构建出优良的微米结构表面。图

8 (

a

)[&所示为电沉积装置示意图。在直流电源作

用下，沸腾表面作为阴极垂直浸人电解液中，电解

液一般采用硫酸铜和硫酸的混合液，铜离子在阴极

上还原为铜，从而沉积到沸腾表面上。2

U

14年，

C

.

M

.

Patil

等人％通过两步电沉积法构建了微结

构铜表面，其表面结构形貌如图8 (

b

)[2‘)]所示。在

计算机

^直流电源

h

2

o

,

Cu2+

Cu2+,

铜

铜

电解槽

SO42-

阴

阳

极

极

电解液

(a)电沉积装置示意图 （h)电沉积法制备的微结构

铜表面形貌

图8电沉积装置示意图和电沉积法制备的微结构铜表面形貌CM

Fig. 8 Schematic diagram of the electrodeposition device and

the surface morphology of the microstructure copper

prepared by the electrodeposition method[2<,]

986

实验工况下，与普通表面相比，微结构表面的

CHF

提高了 50%〜90%,

HTC

最高提高了

275%。2018年，

S

.

K

.

Gupta

等人[31|]通过单步电

沉积法构建了多孔涂层铜表面。沸腾实验发现：与

裸表面相比，多孔涂层铜表面的

CHF

和

HTC

分

别增大了 72. 5%与273%。

2.3复合法

复合法是采用刻蚀法和沉积法两种或多种复合

方法来构建微结构表面，在一定程度上能够实现功

能互补。2014年，

C

.

M

.

Patil

等人M在铜表面上

首先加工了开孔微通道结构，并通过两步电沉积法

在微结构的顶部沉积了微孔涂层。在所有实验工况

下，与普通铜表面相比，采用复合法构建的微结构

铜表面

CHF

最大提高了 175%。

3多孔表面

多孔表面具有较高的比表面积、较强的渗透性

及表面润湿性，其内部的孔隙结构不仅能扩展传热

面积，同时也为沸腾提供大量的核化穴，是一种常

见的强化沸腾传热表面。同时其表面构建过程相比

纳米结构表面和微米结构表面更为简单，是相变传

热领域常采用的一种技术手段。根据表面成型过

程，多孔表面制备方法可分为粉末烧结、调制烧结

以及火焰喷涂成型等。

3. 1粉末烧结

粉末烧结法一般是将筛选过的铜粉烧结到铜基

上。首先去除基体表面的锈和油污，然后涂上一层

粘结剂溶液，将金属粉末均匀地粘在基体表面上，

当粘结剂溶液风干后放人烧结炉内，在惰性气体保

护下加热至金属粉末表面有融化趋势，然后恒温冷

却一定时间使粘结剂分解挥发，金属粉末联结成一

体并烧结在基体上，或者是将松散的铜粉倒人石墨

模具中，然后将铜基放在粉末之上进行烧结。这两

种不同的烧结形式并未改变铜粉烧结形状，有别于

下文将要提到的调制烧结。

烧结工艺参数会对表面沸腾传热效果产生显著

的影响。2013年，赵紫薇等人[32]以粉末烧结方法

构建了多尺度多孔结构铜表面，实验表明：该表面

沸腾起始点的过热度仅为光滑表面的1/3,且能够

有效缩短气泡的生成发展周期，提高气泡脱离频

曹泷等：微纳结构沸腾表面构建及传热性能的研究进展

率。2017年，郑晓欢等人进一步研究发现多尺

度烧结多孔结构表面可以很好地协同蒸气逸出和液

体吸人对孔隙尺度的不同需求，沸腾起始点显著降

低，热流密度得到提高，换热系数大大增强，最大

为光表面的5〜6倍。2020年，崔付龙等人[34]以用

5()、100和200 共3种粒径的电解铜粉（颗粒

上存在细小枝梢）经粉末烧结法构建了3种多孔铜

表面结构（图9)。与光滑表面相比，多孔烧结表

面的

HTC

最大提高了 61%，同时经长时间沸腾实

验后，烧结多孔表面的颗粒未发生明显脱落。1〇()

和2(

mfxm

颗粒烧结表面的强化效果接近，且明显

好于50 /

nm

颗粒烧结表面。

(a)粒径50 jun颗粒 （b)粒径100 (Jim颗粒

(c)粒径200 pm颗粒

图9不同粒径下烧结多孔表面形貌

Fig. 9 Morphologies of the sintered porous coated surfaces

with different particle sizes[34]

3.2调制烧结

调制烧结是通过一些辅助设备将颗粒以所需的

形状结构调制保持在基板上，进而在基板上烧结成

特殊的多孔结构。2001年，

S

.

G

.

Liter

等人[35]结

合模具构建出几何外形为锥形的三维多孔结构铜表

面，如图10 (

a

)所示。池沸腾实验表明，该三维

多孔结构铜表面的

CHF

较光滑表面可提高3倍。

20

TO

年，

D

.

H

.

Min

等人[36]通过热压法构建了几

种不同结构的二维和三维多孔结构表面，并进行了

池沸腾实验。发现在25

MPa

、300 °

C

下构建的二

维结构表面的

CHF

最高，达到了 815

kW

/

m

2。三

维锥形结构表面的

CHF

最高也达到了 491

kW

/

m

2，两种表面

SEM

图分别如图1() (

b

)M和

(〇)[36]所示。

(a)锥形三维多孔结构(b)二维结构表面1361

(c)三维多孔结构表面1361

图1()锥形三维多孔结构、二维结构表面和三维多孔

结构表面SEM图[35_36]

Fig. 10 SEM images of the tapered 31) porous structure, 2D

structure surface and 3D porous structure surface[35_36)]

3. 3火焰喷涂成型

火焰喷涂成型原理是通过改变喷涂工况得到表

面熔化、内核保持刚性的半熔型粉粒，然后在基体

上沉积堆叠，粉粒表面熔化部分在粉粒间和粉粒与

基体之间填充，以增加结合强度，内核则构成了孔

隙骨架[37]。2004年，杨冬等人[38]以有机高分子材

料为造孔剂，与粒径为40〜60/^11的金属铝粉按

一定比例混合后通过氧乙炔火焰喷涂在碳钢管内表

面上，其管内传热系数可达光管的1.8〜3.5倍。

2018年，肖平等人[39]以不锈钢粉末为喷涂材料构

建了多孔不锈钢表面。池沸腾实验表明，该种表面

HTC

最高为5(). 1

kW

/ (

m

2 •

K

)，比光滑表面提

高了 60%;

CHF

最高为1 5%. 1

kW

/

m

2，比光滑

表面提高了近30%。

4微/纳复合表面

沸腾是一个从气泡核化、三相接触线强烈蒸发

及再浸润到临界热流密度发生的多尺度过程，微/

纳复合表面可在空间尺度上实现功能协同，是强化

沸腾传热这一复杂多尺度过程的有效途径，也是近

年来备受关注的研究热点。

2012年，

Z

.

H

.

Yao

等人[4«通过光刻结合深度

反应离子刻蚀法构建了微通道硅表面，并在微通道

987

微纳电子技术

底部、顶部及侧壁构建了硅纳米线。实验表明：相

对于普通表面，微/纳结构表面热流密度在相同壁

面过热度下提高了 400%。2(118年，

D

.

Lee

等

人[4

U

采用类似方法同样构建了微腔-纳米线混合

表面，发现微/纳结构表面的

CHF

最大提升幅度

超过17()%。该表面可以提高沸腾性能的热均匀性

和稳定性，与普通表面相比，高热流区或

CHF

的

空间和时间温度变化可降低1/3和1/4。进一步

A

.

Khan

等人[42]先采用热压烧结

地，2019年，

S

.

及纳米颗粒自组装法构建一维铜表面均匀微孔表面

(

MP

)，然后在沸腾池中

CuO

纳米颗粒自沉积到

可以缓解流动不稳定性。

(a)微孔表面结构形貌 （b)微纳复合表面结构形貌

图n 微孔表面及微纳复合表面结构形貌[4«

Fig. 11 Structure morphologies of the microporous surface

and hybrid micro-nano surface^-42-'

MP

表面上，从而形成了微纳复合表面（

HMNP

)，

两种表面的形貌如图11所示。与普通表面相比，

不同尺度的沸腾表面强化传热效果有所区别，

表1列举了具有代表性的沸腾表面结构、构建方法

以及对沸腾传热影响的研究。纳米结构表面构建过

程很复杂，但可以增强表面润湿性，微米结构表面

可以增加有效传热面积，多孔表面具有比表面积大

和核化点多的优势，微纳复合表面则可以兼具单一

尺度结构表面的优点，实现增加有效传热面积、增

强毛细力促进表面再润湿、拓宽核化点尺寸范围和

提高气泡脱离频率等来增强沸腾传热效果，具有良

好的应用前景，是未来沸腾传热方向研究的重点。

MP

表面的

CHF

提高了 1.79倍，最大为

1 565

kW

/

m

2，

HTC

平均增大了 1.62倍；纳米颗

粒浓度为〇.

1 g/L

时的

HMNP

表面的性能最优，

CHF

最大为 2 225

kW

/

m

2，增大了 2.5 倍

，HTC

增大了 2. 33倍。同年，

S

.

Wang

等人通过光刻

结合深度反应离子刻蚀法在硅基上构建了微通道，

并通过金属辅助刻蚀法在微通道底部和侧壁构建了

硅纳米线，流动沸腾实验表明，最大热流密度可达

到431.3

W

/

cm

2,并未达到

CHF

，且该种微通道

表1

Table 1

参考文献

文献[4]

表面形式

Cu基Cu纳米线

Cii基Ag纳米线

Si基定向Si纳米线

Si基随机Si纳米线

Si基Cu薄膜

Cu纳米线

不同表面结构对沸腾传热的影响

Effects of different surface structures on the boiling eat transfer

构建方法

电化学模板

辅助法

金属辅助

刻蚀法

GLAD

降低了约2

提高了 400%

沸腾起始过热度

降低了 52.63%

降低了 4‘人1%

HTC

提高了 156. 52%

提高了 145.57%

CHF

提高了 37. 13%

提高了 34.73%

245.6 W/cm2,提高了 178%

194. 3 W/cm2,提高了 121%

文献[5]

文献[9]

文献[U]

Ti基Ti()2纳米管

阳极氧化法

降低了 11 K

6.22 W/(cm2 • K) ♦

提高了 86%

提高了 135%

提高了 180%

7.25 W/(cm2 • K),

186.7 W/cm2,提高了 45%

文献[13]

Cu基喷砂

Cu基碳纳米管（CNT)

Cu基

氧化石墨烯（GO)纳米表面

ITO表面

石墨烯/SWCNT涂搜

化学气相

沉积法

GO纳米片

自组装

石墨烯层转移、

SWCNT喷涂

降低

最低

111.4 W/cm2,提高了 8. 5%

141.6 W/cm2,提高了 38%

208 W/cm2，提高了 66. 4%

文献[21]

降低

提高了 86.9%

0.683 W/(cm2 • K),

文献[22]

降低

提高了 55%

14. 16 W/cm2,提高了 18%

988

曹泷等：微纳结构沸腾表面构建及传热性能的研究进展

续表1

参考文献表面形式构建方法

沸腾起始过热度

HTCCHF

316不锈钢表面

文献[23]

PEI/MWCNT 涂覆

逐层沉积涂爾

平均 202.7 W/cm2,提高了 94%

文献[28]Cu基微槽

皮秒激光刻蚀法

降低了 52.2%提高了 154.3%

226.3 W/cm2,提高了 103.3%

文献[29]Cu基微孔涂层

17. 9 W/(cm2 • K)

,

两步电沉积法

提高了 275%

140 W/cm2,提高了 50%〜90%

文献[30]

Cu基C微孔涂层

19.9 W/(cm2 • K),

ii

-A1203

单步电沉积法

降低

提高了 273%

185.2 W/cm2,提高了 72. 5%

文献[31]

Cu基微通道、

机械加工、

W/(cm2 • K)

325 W/cm2,提高了 175%

微通道顶部微孔涂层

两步电沉积法

降低

99.5

文献[34]

Cu基多孔结构

粉末烧结

提高了 61%

提高了 17%

Cu基二维多孔结构 81.5 W/cm2,提高了 232%

文献[36]

Cu基三维多孔结构

热压法调制烧结

49. 1 W/cm2,提高了 100%

文献[39]

5. ()1 W/(cm2

•

K)

不锈钢表面多孔结构

氧乙炔火焰喷涂

降低

，

提高了 60%

159.61 W/cm2

，

提高了 30%

文献[42]

Cu基

热压法、纳米

微孔、Cu()纳米颗粒

降低

提高了 133%

222. 5 W/cm2,提髙了 150%

颗粒自组装

Si基

文献[43]

光刻深度反应离子刻蚀、 热流密度最高达到

微通道、微通道底部和

侧壁Si纳米线

金属辅助刻蚀

431. 3 W/cm2

5 结语

应用，但是还需进一步探究如何构建形状可控

的自组装沸腾表面。

对沸腾表面微纳结构的构建及其强化传热性能

微米结构表面构建过程也较为繁琐，稳定性稍

表现进行了简要介绍。微纳结构表面不仅是沸腾表

好于纳米表面，强化效果较高，且可以在沸腾表面

面形貌的改变，在一定程度上表面的微纳结构也改

上构建出较为复杂的具有一定形状的图案。此外，

变了表面的湿润性，提高表面核化密度的同时也利

复合法也可以实现功能互补，进一步增强强化效

于气泡从沸腾表面脱离进而延迟临界热流，使表面

果，未来需进一步对表面结构形貌进行优化。

沸腾性能得到改善。随着加工工艺及新材料的发

多孔表面在尺度上既可以是单一尺度也可以是

展，有望促进微纳结构沸腾表面的构建更加快捷、

多尺度混合，既可以是均匀多孔表面也可以是具有

稳定及高效，从而提升微换热器的换热能力，助力

特殊形状的表面，同时还可以在金属管壁上进行烧

电子设备集成化和微型化发展。

结。该工艺流程较为完善，强化效果较好，稳定性

纳米结构表面可提高沸腾性能，但构建过

较强。

程一般较为繁琐.表面结构的稳定性及重复性

微/纳结构复合表面可大幅增强沸腾强化效果，

较差，如何予以提高从而适应剧烈沸腾条件需

热均匀性和稳定性较为优异，但是构建过程比较复

继续深人研究。自组装法构建表面纳米结构过

杂。同时微/纳结构表面在空间上可实现功能协同，

程相对较为简单、成本较低，且能直接在表面

与沸腾这一多尺度复杂过程相匹配，是近年来研究

生成大面积且连续的纳米涂层，利于实现工业

的热点。

989

撳鈉电子技术

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作者简介：

曹泷（丨989—)，男，河南南阳人，

博士，讲师，研究方向为多相流传热传质

与低品位热能利用。

(上接第981页）

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罗小虎（1986—），男，湖南衡阳人，博士，副教授，主要从

事金属防护、储能材料与器件的研究。

991