近日，我校机械工程学院摩擦学研究所刘焜教授团队在固体基底形貌调控实现高效蒸发冷却研究方面取得重要研究进展，相关成果以“Suppressed Droplet Splashing on Positively Skewed Surfaces for High-Efficiency Evaporation Cooling”为题发表在《Small》期刊上。

喷雾冷却是一种实现设备散热和温控的新型散热方式，借助液体蒸发相变实现高效散热，尤其对电子芯片和固体激光器等高功率设备散热具有巨大的开发和应用前景。然而，液滴撞击过程中通常存在飞溅和回收的现象，限制了喷雾冷却过程中界面散热的均匀性，阻碍了喷雾冷却过程中传热效率的提高。通过调节基底的表面形貌，实现可控的液滴撞击行为，有望解决这一问题。而前期关于表面形貌影响液滴的飞溅研究主要集中在表面的二维粗糙度，其中轮廓算术平均高度Ra作为决定临界飞溅条件是一个非常热点的问题。虽然表面的二维轮廓绘制在科学和工程领域得到广泛应用，然而，所有表面都是在三维而非二维空间相互作用的。实际工程表面的三维形貌非常复杂，而国际标准中的二维参数不足以对粗糙表面进行精确的定量描述，如峰谷特征、各向异性和各向同性等。因此，无法深入了解表面形貌影响三相移动接触线（液滴飞溅）的物理机制和内在规律。其次，二维参数主要反映表面形貌截面轮廓的高度信息，而忽略了水平方向的轮廓信息，这直接导致二维参数与表面功能应用之间基本不存在相关性。例如，不同加工方法加工出的表面，其三维表面形貌差异很大，应用功能也不同，但表面粗糙度Ra却相同或相似。

针对以上问题，该工作研究了液滴撞击两种粗糙度相同但表面形貌完全不同的功能表面，发现负偏态表更易促进液滴飞溅，而正偏态表面抑制液滴飞溅。这主要是由于负偏态表面截留的空气使的液膜在表面呈现Cassie-Baxter状态，从而使液膜的稳定毛细力超过空气膜的失稳应力。研究还进一步从微观界面力学的角度分析了表面形貌对液滴铺展的影响和三相移动接触线的力学性能。最后证明了所设计的正偏态表面可以利用高效蒸发进行大面积散热。

以上系列研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、安徽省自然科学基金以及中央高校基本科研业务费专项资金的资助。合肥工业大学是论文成果第一署名单位，论文通讯作者为机械工程学院摩擦学研究所焦云龙副研究员，第一作者为机械工程学院2019级博士研究生王兆长。

论文相关文章链接：https://doi.org/10.1002/smll.202307759

具有不同几何特征的三维表面形貌表征

基底表面形貌对蒸发散热特性的影响

（王兆长/文 王兆长/图 蔡伟伟/审核）

责任编辑：刘红平