研究进展：调节基底表面形貌抑制液滴飞溅，实现高效蒸发冷却

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。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R_a、R_rms和R_pk/R_sm，其中轮廓算术平均高度R_a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。

近日，合肥工业大学摩擦学研究所焦云龙副研究员（通讯作者）及刘焜教授课题组等人在《Small》期刊上发表了题为“Suppressed Droplet Splashing on Positively Skewed Surfaces for High-Efficiency Evaporation Cooling”的文章（doi.org/10.1002/smll.202307759）。该工作报道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，并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包括国家自然科学基金面上基金、青年基金以及安徽省自然科学基金的资助。论文通讯作者为合肥工业大学摩擦学研究所焦云龙副研究员，第一作者为合肥工业大学机械工程学院2019级博士研究生王兆长（已毕业）。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