2025年3月，国际顶尖期刊ACS Nano刊发长达77版面页题为“Enhancing Liquid-Vapor Phase-Change Heat Transfer with Micro/Nano-Structured Surfaces”的综述文章，这篇论文的第一作者和通讯作者分别为我院刘修良副教授和杨荣贵教授。
背景介绍
汽液相变是自然界中一种常见现象，如云雾凝露、水汽蒸腾等。汽液相变过程能够在小温差下释放或吸收大量相变潜热，展现出优异的传热性能，已广泛应用于火电厂、核电站、石油化工、食品加工、空调、化工精炼、水淡化与回收以及电子设备热管理等工业领域。提高汽液相变换热性能对于提高能源利用效率与实现高热流散热具有重要意义。汽液相变过程涉及到复杂的多尺度现象，包括微观界面流体运动和固体表面润湿性等因素，涵盖了汽-液-固三相界面的相互作用与演化过程。因此，深入理解固体表面上的多尺度汽液动力学特性，调控表面的形貌和理化性质，能够实现汽液相变传热强化，为能源利用与散热技术的发展提供先进的理论与技术支持。
图1. 汽液相变过程的广泛应用
文章亮点
杨荣贵教授基于自己30年在相变传热领域的研究积累，综合大量文献和国内外研究成果，系统总结了微纳结构表面在强化汽液相变换热过程中的机理与策略。文章深入探讨了液滴、汽泡和液膜在相变传热过程中从纳米到毫米的多尺度演化规律，揭示了不同生长阶段（成核、生长、合并和脱离）和输运过程中的表面调控策略及强化表面的制备工艺，讨论了微纳结构表面对多种被动式与主动式汽液相变换热强化的研究现状，并对其未来前景作出展望。
在汽液相变过程中，固体表面润湿性和形貌特征对汽液输运与换热性能具有重要影响，但这些影响往往呈现出复杂的相互制约关系。例如，亲水表面虽然有利于液滴成核，但会阻碍液滴脱离；微孔结构虽然能增加汽泡成核位点，但过密的成核位点反而会促进汽泡合并，形成阻碍液体浸润的汽膜；纳米结构虽然能提供更强的毛细力促进液膜输运，但也会产生更大的流动阻力。针对这些复杂的相互作用关系，需要建立多尺度相界面的传热传质调控机制，并通过合适的表面制备工艺加以实现。
图2. 微纳结构表面对相变过程中液滴、汽泡、液膜的调控
该综述从固体表面的润湿性、汽液界面的热质传递以及液滴、汽泡、液膜的多尺度动力学特性三个方面，系统阐述了微纳结构表面调控汽液相变过程的基本机理。文章重点探讨了通过设计多尺度微纳复合结构与非均匀润湿表面来优化汽液相变换热性能的物理机制，指出精准调控表面形貌、润湿性及微纳结构尺度分布是实现高效相变换热的关键。同时，该综述系统梳理了微纳结构表面制备工艺，从加工结构特征、精度、工艺复杂性与成本效益等维度，评估了各工艺对不同汽液相变过程的适用性，为强化相变换热表面的设计、制备与应用提供了重要参考。
图3. 微纳结构表面的制备方法
基于汽液相变换热过程的传热传质机理与微纳结构表面的制备工艺，该综述总结了多种强化微纳结构表面对具体相变换热过程的汽液输运调控机制，并针对不同的换热过程指出了表面设计的未来发展方向。
在被动式相变换热过程中，针对冷凝和池沸腾中汽泡/液滴的成核与脱离对表面的润湿性和结构尺度的矛盾需求，提出了多尺度分区的结构表面调控成核与脱离过程，论述了利用汽液分离实现传热强化的表面设计及其未来发展方向；针对毛细蒸发过程中单一液膜输运的调控难以协同降低热阻和提高传热极限的难题，探讨了利用结构表面开发新型供液方案的重要性；针对汽泡与液膜耦合调控的薄液膜沸腾传热技术，论述了协同优化薄液膜与汽泡输运实现更高传热性能的关键物理机理和表面构筑策略。此外，热管和均热板综合利用了冷凝、蒸发、沸腾的传热机理，其等效导热系数相较于纯铜提高了1到2个量级，目前已成为高度集成化电子设备所广泛采用的散热器件。该综述针对均温板内部调控液滴/汽泡/液膜的表面设计策略进行了深入探讨，并指出面向超薄化、柔性化与高热流散热场景的均温板发展方向。
图4. 被动式汽液相变换热过程的强化
相较于被动式相变过程，主动式相变过程依靠外部泵功实现了更高速的汽液输运，因此具有更好的换热性能。该综述系统探讨了微纳结构表面流动冷凝、流动沸腾、射流冲击和喷雾冷却等主动式相变换热技术的强化机制与未来发展方向。流动冷凝过程中利用限制层结构可减薄冷凝液膜厚度，实现换热强化。利用歧管对流动沸腾进行供液有利于提高温度均匀性，并加强两相搅混实现更高的临界热流密度。在射流冲击过程中，采用分布式射流阵列与回流孔阵列能够在大面积热源表面实现均匀散热，改善横流效应并降低两相流不稳定性。通过构建多级微纳结构，缩短汽泡脱离路径和构建汽液分离通道，可显著改善喷雾冷却过程中的汽液逆流，实现更高的换热性能。通过优化微纳结构表面，目前流动沸腾、射流冲击和喷雾冷却等传热技术均可实现超过1kW/cm2的热流密度。然而，这些主动式散热技术在系统复杂度、流动稳定性、温度均匀性等方面存在各自的优势与限制，发展新型散热技术，有望促进主动式相变换热的进一步发展与应用。
图5.主动式汽液相变换热过程的强化
总结/展望
本综述系统地阐述了汽液相变换热的基本机理，全面梳理了多种汽液相变过程中的表面强化策略及其制备工艺，同时前瞻性地展望了未来微纳结构表面强化相变换热的发展方向。该综述旨在深化学术界和工业界对微纳结构表面汽液相变换热的理解，推动该领域的基础科学研究，并为热管理、能源利用、电子器件冷却、航空航天、化工精炼等工业应用领域提供技术参考。
课题组主页：
http://x-thermal.energy.hust.edu.cn/
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