"結(jié)構(gòu)熱裝甲"解決逾260年來液體冷卻極端高溫失效的世界級難題
鋼鐵和航天工業(yè)以至核電廠設(shè)施，都需要有效地冷卻高溫表面，但在物理學(xué)上，高溫會衍生萊頓弗羅斯特效應(yīng)（Leidenfrost effect），阻礙液體冷卻高溫表面。香港城市大學(xué)（城大）學(xué)者領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊，最新研發(fā)出“結(jié)構(gòu)熱裝甲”，能有效將液體冷卻的應(yīng)用溫度提升至攝氏1,000（°C）以上，徹底解決266年以來萊頓弗羅斯特效應(yīng)帶來的難題。這項技術(shù)突破可應(yīng)用于航空及航天引擎等方面，并提高新一代核反應(yīng)堆的安全及可靠度。
該項目由城大機械工程學(xué)系王鉆開教授、法國巴黎文理研究大學(xué)David Quéré教授，以及吉林大學(xué)未來科學(xué)國際合作聯(lián)合實驗室主任兼香港城大香港高等研究院資深院士于吉紅教授共同領(lǐng)導(dǎo)研發(fā)。研究結(jié)果已于最新一期國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）上發(fā)表，題為〈抑制萊頓弗羅斯特效應(yīng)，實現(xiàn)1,000°C以上高效熱能冷卻〉（Inhibiting the Leidenfrost effect above 1,000?°C for sustained thermal cooling），并獲《自然》的新聞與觀點欄目報道。
城大學(xué)者領(lǐng)導(dǎo)的團隊研發(fā)出“結(jié)構(gòu)熱裝甲”，解決液體冷卻極端高溫失效的難題。
絕熱蒸汽層阻礙冷卻能力 萊頓弗羅斯特效應(yīng)成世紀(jì)難題
萊頓弗羅斯特效應(yīng)是于1756年被發(fā)現(xiàn)的經(jīng)典物理現(xiàn)象。日常生活常見的例子是，把水滴在滾燙的鐵板上，若鐵板溫度高于水的沸點100°C，水會迅速沸騰，但若鐵板溫度超高，達到萊頓弗羅斯特點（Leidenfrost point），水珠會在鐵板四處滾動，并逐漸蒸發(fā)，水珠存活更久。這是因為當(dāng)液體滴落在溫度遠超其沸點的固體表面時，在液體與該超高溫表面之間會瞬間產(chǎn)生絕熱（ thermal insulating ）的蒸汽層，使液體懸浮，并阻斷固液接觸（liquid-solid contact）而導(dǎo)致傳熱效能顯著降低，甚至?xí)挂后w對高溫表面的冷卻失效。這是科學(xué)家一直無法克服的挑戰(zhàn)。
多層級復(fù)合結(jié)構(gòu)熱裝甲 實現(xiàn)無阻礙的快速熱傳導(dǎo)
這個維持了266年的世紀(jì)難題，終于由城大領(lǐng)導(dǎo)的團隊拆解了。他們建構(gòu)了一種稱為“結(jié)構(gòu)熱裝甲”（structured thermal armour）的新材料，由多層物料復(fù)合而成，而這些物料彼此具有相反的熱學(xué)特性及不同形貌：結(jié)構(gòu)由貫穿整體、具高導(dǎo)熱性的鋼柱體支撐，以作快速傳熱；中層嵌有絕熱的多孔薄膜，以快速吸入及蒸發(fā)液體；底層的U型通道則用作及時排出蒸氣。這項創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)巧妙實現(xiàn)了無阻礙的快速熱傳導(dǎo)，透過蒸發(fā)將液體中的熱能傳走，而且液體在極端高溫下亦發(fā)生一般不會出現(xiàn)的超浸潤現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)即使在1,150°C極端高溫下，結(jié)構(gòu)熱裝甲仍能完全抑制萊頓弗羅斯特效應(yīng)，比舊有紀(jì)錄提升了600°C，并在整個溫度區(qū)間、即100至1,150°C均具有高效、可控的冷卻性能。
裝甲具柱體、薄膜及U形管道結(jié)構(gòu) 水滴蒸發(fā)僅需0.33秒
團隊研發(fā)的結(jié)構(gòu)熱裝甲除了柱體，亦有薄膜和U形管道。而為了進行對照的實驗，團隊制作出另外兩種結(jié)構(gòu)樣本：一種有U形管道并無薄膜，另一種只有薄膜并無U形管道。團隊然后將染成橙黃色的水滴，滴落上述三種溫度均達1,000°C的樣本上。
實驗結(jié)果顯示，水滴落在既有薄膜，亦有管道的結(jié)構(gòu)熱裝甲后，全由薄膜吸納并于0.33秒內(nèi)蒸發(fā)，相比落在無薄膜或無管道的表面上，結(jié)構(gòu)熱裝甲上水滴蒸發(fā)所需時間大幅減少約50倍，令熱能被迅速帶走，讓表面降溫。
結(jié)構(gòu)熱裝甲可制成柔性器件 盼能應(yīng)用于核反應(yīng)堆設(shè)施
王教授說：“這項突破性研究成果是表界面科學(xué)、流體動力學(xué)、熱能、材料科學(xué)、物理學(xué)、能源及工程學(xué)等跨領(lǐng)域的集成創(chuàng)新。自1756年以來，科學(xué)家一直致力探索能夠在高溫表面運用液體作高效冷卻的新方法。我們打破固有的傳熱設(shè)計思想和結(jié)構(gòu)體系，成功地從基本原理、設(shè)計和材料上進行顛覆性創(chuàng)新，抑制了萊頓弗羅斯特效應(yīng)，將超高溫環(huán)境下高效液體冷卻的不可能轉(zhuǎn)化為可能，這是史無前例的成果。”
王教授指出，由于萊頓弗羅斯特效應(yīng)的緣故，目前航空及航天引擎、新一代核反應(yīng)堆及超高溫器件等在超高溫下進行熱能冷卻，大多是采用了低效的氣體冷卻而非高效的液體冷卻。團隊這次技術(shù)上的突破，有望令高效的液體冷卻被應(yīng)用于核反應(yīng)堆設(shè)施，盼避免發(fā)生核事故。
王教授補充說：“我們設(shè)計的結(jié)構(gòu)熱裝甲，更加可以制作成柔性器件，并緊固裝配在各種形狀的表面，于難以直接微加工的表面之上，也具有巨大的實用潛力。”
王教授、Quéré教授及于教授是研究論文的通訊作者，城大機械工程學(xué)系蔣孟男博士及王洋博士為第一作者。研究的其他合作者包括城大機械工程學(xué)系系主任潘欽教授、助理教授Steven Wang博士、研究助理張歡歡博士、博士生劉法鈺和李玉超，以及香港理工大學(xué)工業(yè)及系統(tǒng)工程學(xué)系杜雪教授和博士生杜晗恒。
是次研究獲得香港研究資助局、騰訊基金會頒授的“科學(xué)探索獎”、香港創(chuàng)新科技署、國家自然科學(xué)基金委員會、以及高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計劃（簡稱“111計劃”）的資助而進行。
DOI number: 10.1038/s41586-021-04307-3
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