雷晴禾，高文忠，王诗悦，史文军

(上海海事大学 商船学院，上海 201306)

池沸腾利用冷却流体的显热和潜热，在较低温差下产生相变传递大量的热量，广泛用于冷却低温和高温环境，如电子设备、换热器和核反应堆等设备[1]。为实现更高效的冷却，研究强化池沸腾传热十分必要。一般改变工质热物理性质[2-3]和加热表面处理，目前，表面结构处理工艺有机械加工技术[4]、化学工艺技术[5]及表面涂层技术[6]，随着沸腾传热表面从常规大尺度向微纳米尺度的转变，相较于前两种工艺技术，涂层表面更易实现多尺度的强化沸腾[7]，且制备成本较低，满足温差小且热流大的复杂换热需求，具有重要的科研价值和工程价值，是研究强化池沸腾的热点。

1 涂层表面的制备

表面涂层技术是重要的表面改性技术之一，用特殊工艺将其他材料在基底表面上形成涂层，在实际工程中达到表面多功能的需求[8]。最早的涂层制备是直接用粘合环氧树脂在基底表面粘涂上细小颗粒，如导热性高的人造金刚石颗粒，在基体表面形成有空穴的多孔层结构，有效增加了气化核心密度[9]，从此打开了人们制备各种涂层表面用于池沸腾强化的大门。目前，常见表面涂层工艺有烧结、喷涂、电化学沉积及化学气相沉积等[10-11]。

烧结法是在基体材料上涂上粘结剂，将金属颗粒(丝网或泡沫金属等)覆盖在基底材料上，风干后在烧结炉内形成涂层。周述璋[12]在铜管表面利用高温烧结制备金属铜粉层，表示烧结粒径越小，沸腾传热性能越好。热喷涂法是将细小金属或非金属颗粒熔化后，用高速气流喷射在基体表面形成涂层。肖平[13]在不锈钢基上采用氧-乙炔火焰喷涂金属粉末制备多孔层，观察气泡起始沸腾。电化学沉积法(电镀)通过镀液中金属离子在基体与溶液接触表面获得电子，并还原成金属原子沉积形成涂层。镀液中粒子浓度、温度、pH值及电流密度是制备涂层的关键参数。Nazari等[14]采用阳极氧化技术使在铝基板表面镀覆氧化铝，得到的纳米结构涂层提高了润湿性。化学气相沉积法通常待涂覆的表面暴露于一种或几种气相化合物或单质气体中，利用气相作用在表面及其附近引起化学反应形成沉积涂层。Ho等[15]以铁为催化剂，纯乙炔(C2H2)为碳源，制备了215 μm厚的碳纳米管涂层。

这几种方法都是表面涂层较为成熟的制备方式，烧结法制备的涂层与基体结合强度较高，但对基体材料要求高，不适合温度敏感材料；喷涂法对基体材料损失小、材质可选范围大、不受表面形状限制，但存在热效率低及材料浪费问题。电镀法和化学气相沉积普遍用于微、纳米级沉积涂层的制备，如纳米颗粒、纳米纤维、纳米管等。与电镀法比，化学沉积法制备的涂层污染小，基体与沉积材质选择广泛，制备简单且成本低廉。但长期运行后性能可能存在严重弱化，因此提高沸腾结构的强度是涂层表面制备的重点[16]。

除了传统的方式外，新的表面涂层技术也在不断开发。Surtaev[17]采用新型等离子喷涂方法，孔隙率高达60%；Takata[18]采用浸渍法在铜基体表面制备TiO2涂层可以有效强化沸腾传热；Sarangi[19]提供一种自由粒子烧结涂层法，将铜颗粒松散的放置在铜基体面上，不同粒径颗粒间接触点形成空腔提高汽化核心密度。此外，复合涂层也是研究的热点，如Wan等[20]对铜基体先进行电镀锌的表面合金化处理，再在0.125 mol/L HCl溶液中进行腐蚀脱合金处理，得到孔隙有序、润湿性良好的纳米多孔铜涂层。

2 表面涂层的池沸腾传热实验研究

表面涂层通常由颗粒(最常见)、管、丝网、泡沫单元等组成附着在基体表面上，形成许多微孔并构成流道。涂层结构可以有效的增加加热面有效换热面积，结构提供更多的汽化核心点，并且也能提升加热面的毛细作用及表面润湿性，达到有效提升强化沸腾传热性能的效果。因此，学者们对不同表面涂层进行池沸腾实验研究，观察气泡的成长进程，探究对池沸腾传热过程的具体影响。

2.1 表面涂层结构对池沸腾传热的影响

换热表面的几何因素(大小、形状、表面粗糙度等)都对池沸腾换热性能有影响，因此，研究附在加热表面涂层结构参数是评估性能优劣的重点。肖平[13]在不锈钢基上采用火焰喷涂金属粉末制备多孔涂层，进行了去离子水池沸腾的可视实验研究。得出结论：与光滑表面相比，多孔涂层的起始沸腾过热度降低了1.4～2.7 K，降低了气泡的成核势能；观察到多孔层能产生更多气泡，明显增加了汽化核心数，脱离气泡小且不易聚，延迟膜态沸腾，从而提高临界热流密度。

Jun等[21]制备不同粒径的多孔颗粒涂层，研究了常压饱和水在烧结铜颗粒包覆铜表面的池沸腾传热。当烧结微孔涂层的粒径为67 μm时，296,428 μm 涂层厚度分别得到核沸腾最大传热系数400 kW/K和临界热流密度210 W/cm2，是普通铜表面传热系数的8倍，临界热流密度的2倍。虽然传热系数和临界热流密度随着涂层粒径的增大，均呈增加趋势，但超过优化厚度后，沸腾传热系数降低。

Souza[22]在饱和HFE7100溶液池沸腾实验分析了表面粗糙度与纳米颗粒直径的比值对临界热流密度影响，比值增加并不一定提高临界热流密度。如比值越接近1，临界热流密度反而下降了37%，这是由于成核点变多，需要更大的过热度激活成核点。此外，与表面粗糙度相比，纳米颗粒在受热面上的粘附对约束沸腾过程中起着更重要的作用。

随着科技的不断发展，换热面的尺度不仅从宏观尺度到微尺度的转变，也从单一尺度向多(跨)尺度转变。Vemuri等[23]在制备了纳米多孔涂层(直径为50～250 nm)，以FC-72为工质进行饱和池沸腾实验。研究结果表明，与普通涂层(环氧树脂)相比，该纳米涂层表面使初始过热度降低了30%。

Sanjay[24]采用电镀法制备纳米复合镀层进行去离子水池沸腾实验，结果表示，纳米复合涂层在较小过热度下临界热流高达1 852 kW/m2，传热系数为199 kW/m2K，比未处理表面分别提高了72.5%,273%；该表面的多孔结构体积小，不仅增加了有效换热面积，其表面粗糙化提升了汽化核心密度，形成的纳米孔内毛细力增加了流体的流动，进而强化池沸腾传热效果明显。

Zhou等[25]对矩形开口微槽表面溅射沉积钛纳米涂层形成的微纳复合表面进行池沸腾实验研究。结果表示,复合表面的上气泡变化周期随着热流密度增大而减小，缩短了仅微槽表面的气泡变化周期，增加其气泡的脱离频率，除了比表面积的增加，还有纳米涂层内固液界面产生的相互作用；一定范围内随纳米涂层厚度增加，复合表面气泡周期减小，强化传热效果显著。

多孔涂层在低热流密度下对池沸腾强化传热有较好的效果，但高热流密度下热阻变大。热阻是影响表面过热的主要因素，当蒸汽层不断填充多孔结构，会加快膜沸腾的转变，迅速达到临界热流密度。Deng等[26]在多孔表面涂层上开凿凹腔通道进行池沸腾实验，与具有同结构凹腔普通表面相比，多孔结构的凹腔在核沸腾阶段壁面过热度明显下降，其传热效率提高了3～5.3倍。因此，采取在多孔表面涂层上开凿通道，破坏其蒸汽层让蒸汽逸出，可实现有效的汽液分离[27]。

表面涂层的应用范围较广，尤其微、纳米尺度结构的涂层适用更精密的池沸腾，多(跨)尺度的复合表面从根本上增加有效换热面积，并缩短气泡的生长周期，并利用毛细力延缓表面气膜形成，降低壁面过热度，进而推迟临界沸腾点，达到强化池沸腾传热的效果。但涂层毕竟是附着在基体表面的，与基体结构并不是整体，需长期实验观察性能变化，因此涂层性能的优异整体评价是一个复杂的长期工作。

2.2 表面涂层润湿性对池沸腾传热的影响

在池沸腾传热过程中，汽泡的产生、生长及脱离是主要的传热环节，表面润湿性与汽泡一系列行为密切相关。因此，加热面材料改变加热表面润湿性可有效的调整汽泡的发展进程，从而强化沸腾传热[28]。

Mao[29]在铜表面得到连续且排列良好氧化石墨烯纳米结构涂层，进行了饱和蒸馏水过冷池沸腾实验，发现该表面具有高导热性，可提高表面润湿性及表面粗糙度；随着过冷度增加，临界热流密度和最大换热系数均增加，过冷度为19 K时，临界热流密度为274 W/cm2；汽泡随着液体过冷度的增加变小、生长速率变慢。

张少峰[30]在无机酸性和有机中性电解溶液中制备二氧化钛纳米管阵列表面，实验得出两种纳米表面均有亲水性，汽化核心数量增加，明显提高传热系数和临界热流密度；其中，有机中性电解液制备的纳米管管径大壁厚、不易脱落，强化池沸腾传热的性能更优。Fan等[31]将TiO2颗粒喷涂在不锈钢球表面得到超亲水表面，测试出该表面对强化池沸腾传热效果显著，临界热流密度增加了78%。

Takata[20]用不同亲疏水性TiO2涂层实验得出表面接触角是影响表面润湿性主要的影响因素，接触角越小，沸腾表面亲水性就越强，进而强化沸腾传热效果越好。随后其团队[32]发现含有镍和PTEE细颗粒涂层的超疏水表面(接触角150°)初始成核过热度极低，导致沸腾快速恶化进入膜态沸腾，会形成稳定的膜态沸腾；过冷沸腾时汽泡还可能在低于饱和温度的情况下生成；但沸腾过程几乎略过核态沸腾过程，不存在沸腾迟滞现象。Teodri[33]也表示超疏水表面极易聚集大气泡，但在过热度1～2 K时就进入膜态沸腾，恶化沸腾传热。

亲水性表面下汽泡相对阻力小，汽泡脱离半径小而快，促进工作流体补充，提高临界热流密度。疏水表面的疏水性不适合高热流区，但亲气性可促进气泡核化，在较低的过热度小产生汽泡，强化低热流区沸腾换热。Jo等[34]发现改变电镀时间可得到亲水性或疏水性高纳米结构表面，证明亲、疏水性对换热均可改善整体换热。因此，学者们将单一亲水表面和单一疏水表面结合一起，研究组合表面池沸腾传热性能。

Betz[35]发现亲水性表面上的疏水点，与普通亲水表面相比，可以使沸腾传热系数和临界热流密度分别提高100%和65%。随后Betz[36]研制亲-疏水超级表面(SBPi)发现传热系数可超过150 kW/m2K，临界热流密度高达1 350 kW/m2，是普通纳米涂层表面的3倍。并建立了SBPi表面分析模型，当疏水区域增加成核点，周围的亲水区域限制了生长气泡的接触直径，防止表面被气泡饱和，即延迟临界沸腾点。

Zupanci[37]将疏水涂层与激光法制备的亲水不锈钢表面组合进行池沸腾实验，该亲-疏水结合表面明显强化了池沸腾传热，临界热流密度CHF增加了200%。因此，涂层结构在不改变基底加热面材料的基础上，改变了工质与接触面减的润湿性，并对气泡行为有直接影响。亲疏水性的混合涂层表面的性能优良，但是针对不同混合表面的最佳配比，最大程度强化池沸腾换热将是今后研究的重点。

3 总结与展望

表面涂层技术为强化池沸腾传热提供了有效途径，更大程度上的扩大了其应用领域，本文回顾了近些年部分关于表面涂层技术强化池沸腾传热的研究成果，主要分析了涂层结构及表面润湿性对池沸腾传热影响。

涂层对强化池沸腾传热的重要性是毋庸置疑的，但其还存在着不足:(1)现有表面涂层制备工艺虽然很成熟，性能优异的表面制备还不能大规模的应用，且存在长期运行性能衰退的可能性，因此制备方式及维持表面稳定性还需进一步的研究;(2)由于池沸腾换热的复杂性，涂层结构的多样性和不规则，造成模型建立困难，实验与不同模拟验证结果差异较大，得出涂层经典数值模型从机理上认识涂层沸腾强化也是未来研究的重点。