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  噴霧冷卻是一種實(shí)現(xiàn)設(shè)備散熱和溫控的新型散熱方式，借助液體蒸發(fā)相變實(shí)現(xiàn)高效散熱，尤其對(duì)電子芯片和固體激光器等高功率設(shè)備散熱具有巨大的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用前景。然而，液滴撞擊過(guò)程中通常存在飛濺和回收的現(xiàn)象，限制了噴霧冷卻過(guò)程中界面散熱的均勻性，阻礙了噴霧冷卻過(guò)程中傳熱效率的提高。通過(guò)調(diào)節(jié)基底的表面形貌，實(shí)現(xiàn)可控的液滴撞擊行為，有望解決這一問(wèn)題。前期關(guān)于表面形貌影響液滴的飛濺研究主要集中在表面的二維粗糙度R_a、R_rms和R_pk/R_sm，其中輪廓算術(shù)平均高度R_a作為決定臨界飛濺條件是一個(gè)非常熱點(diǎn)的問(wèn)題。雖然表面的二維輪廓繪制在科學(xué)和工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，然而，所有表面都是在三維而非二維空間相互作用的。實(shí)際工程表面的三維形貌非常復(fù)雜，而國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中的二維參數(shù)不足以對(duì)粗糙表面進(jìn)行精確的定量描述，如峰谷特征、各向異性和各向同性等。因此，無(wú)法深入了解表面形貌影響三相移動(dòng)接觸線（液滴飛濺）的物理機(jī)制和內(nèi)在規(guī)律。其次，二維參數(shù)主要反映表面形貌截面輪廓的高度信息，而忽略了水平方向的輪廓信息，這直接導(dǎo)致二維參數(shù)與表面功能應(yīng)用之間基本不存在相關(guān)性。例如，不同加工方法加工出的表面，其三維表面形貌差異很大，應(yīng)用功能也不同，但表面粗糙度R_a卻相同或相似。

  近日，合肥工業(yè)大學(xué)摩擦學(xué)研究所焦云龍副研究員（通訊作者）及劉焜教授課題組等人在《Small》期刊上發(fā)表了題為“Suppressed Droplet Splashing on Positively Skewed Surfaces for High-Efficiency Evaporation Cooling”的文章。該工作報(bào)道了液滴撞擊兩種粗糙度相同但表面形貌完全不同的功能表面，發(fā)現(xiàn)負(fù)偏態(tài)表面更易促進(jìn)液滴飛濺，而正偏態(tài)表面抑制液滴飛濺。這主要是由于負(fù)偏態(tài)表面截留的空氣使的液膜在表面呈現(xiàn)Cassie-Baxter狀態(tài)，從而使液膜的穩(wěn)定毛細(xì)力超過(guò)空氣膜的失穩(wěn)應(yīng)力，并進(jìn)一步從微觀界面力學(xué)的角度分析了表面形貌對(duì)液滴鋪展的影響和三相移動(dòng)接觸線的力學(xué)性能。最后，證明了所設(shè)計(jì)的正偏態(tài)表面可以利用高效蒸發(fā)進(jìn)行大面積散熱。

圖1。具有不同幾何特征的三維表面形貌表征。a)微柱陣列的形貌和側(cè)視圖。b)微腔陣列的形貌和側(cè)視圖。c)微柱和微腔陣列的二維輪廓圖。d)不同位置輪廓的算術(shù)平均粗糙度Ra。e)表面三維形貌特征。f)Ssk曲線。

圖2。制備具有不同幾何特征的三維表面形貌及其對(duì)高速液滴撞擊結(jié)果的影響。a)皮秒激光制備的微柱陣列和微腔陣列示意圖。b)制備樣品的表面形貌。c)表面形貌對(duì)潤(rùn)濕性的影響。d)表面形貌對(duì)水滴撞擊結(jié)果的影響。e) 表面形貌效應(yīng)對(duì)液滴飛濺臨界韋伯?dāng)?shù)閾值的影響。

圖3。不同表面形貌的液滴撞擊示意圖及機(jī)理解釋。液滴撞擊微柱陣列(a)和微腔陣列(b)的氣體逃逸路徑示意圖。模擬液滴撞擊微柱陣列(c)和微腔陣列(d)表面的時(shí)間序列圖像和兩相分布。e-g)負(fù)偏態(tài)表面影響液滴飛濺的機(jī)理分析。

圖4。壓力對(duì)液滴撞擊結(jié)果的影響。a)真空裝置原理圖。不同環(huán)境壓力下We≈264 (b)和We≈454 (c)下表面形貌對(duì)液滴撞擊表面結(jié)果的影響。

圖5。We數(shù)對(duì)不同幾何特征的三維形貌表面液滴撞擊結(jié)果的影響。(a) We≈172。(b) We≈256。(c) We≈429。(d) We≈686。

圖6�；诒砻嫘蚊残�(yīng)的三相移動(dòng)接觸線力學(xué)特性研究。(a)液滴撞擊不同表面形貌后無(wú)量綱直徑隨時(shí)間的變化。(b)液滴撞擊不同表面形貌對(duì)應(yīng)的接觸線速度隨時(shí)間的變化。(c) We數(shù)對(duì)液滴撞擊表面后無(wú)量綱直徑直徑的影響。(d) We數(shù)對(duì)液滴撞擊表面后接觸線速度的影響。(e)表面形貌對(duì)液滴擴(kuò)散的影響。(f)三相運(yùn)動(dòng)接觸線上的驅(qū)動(dòng)力示意圖。

圖7。基底表面形貌對(duì)蒸發(fā)散熱特性的影響。(a)水滴撞擊不同形貌表面的散熱示意圖。(b)液滴撞擊不同形貌表面的熱像。(c)表面形貌對(duì)單液滴蒸發(fā)時(shí)間的影。(d)噴霧冷卻過(guò)程中不同形貌表面的平均溫度隨時(shí)間的關(guān)系。(e)液滴撞擊不同形貌表面后的擴(kuò)散過(guò)程。

  該工作報(bào)道了在去耦潤(rùn)濕性的影響下液滴撞擊具有不同幾何特征的粗糙表面時(shí)負(fù)偏態(tài)表面更容易促進(jìn)液滴濺射。通過(guò)調(diào)節(jié)基底的表面形貌，實(shí)現(xiàn)可控的液滴撞擊行為能夠有效提高噴霧冷卻過(guò)程中蒸發(fā)散熱的均勻性與效率。影響液滴飛濺和三相接觸線運(yùn)動(dòng)的表面形貌效應(yīng)可能對(duì)工業(yè)、農(nóng)業(yè)和航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，包括農(nóng)業(yè)灌溉和農(nóng)藥的噴灑以及水下可持續(xù)減阻的實(shí)現(xiàn)。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202307759