石墨烯自组装表面强化沸腾传热研究取得进展

来源：中科院工程热物理研究所

石墨烯自组装表面强化沸腾传热研究取得进展

沸腾传热是一种极其高效的相变传热技术，具有取热热流密度高、过热度低和均温性好等优势，因此在热能的传递、转换和管理系统中起着至关重要的作用，被广泛应用于发电、海水淡化、冶金、高功率密度电子器件冷却、大功率激光器热管理、食品加工等化工、航空航天及军事等领域。提高沸腾传热性能在改善能源系统的效率、安全性及降低系统花费等方面具有重要意义，能够有效地实现节能减排。

石墨烯等碳纳米材料有优异的力学、热学性质及化学稳定性，近些年在强化沸腾传热方面引起了学者的极大关注。基于碳纳米材料的沸腾强化技术主要可分为纳米流体技术和纳米涂层技术。纳米流体技术是利用含有碳纳米材料的纳米流体代替水作为液体工质来增强沸腾传热性能。但纳米颗粒会在沸腾过程中持续沉积，难以获得一个稳定的结构表面，且过量的纳米颗粒沉积引起的热阻增加及孔隙填充等不利因素可能会导致沸腾性能的衰退。因此，利用纳米涂层技术在衬底上生成稳定的纳米结构表面，从而实现沸腾传热的强化是极具前景的。目前，学者大多采用化学气相沉积、层层沉积、电化学等方法在传热基材上构建碳纳米结构表面来显著提高沸腾传热性能。但这些制备方法复杂，对设备要求较高，且加工成本和时间较长，扩展性不强，难以实现大规模工程应用。

为此，中科院工程热物理研究所传热传质研究中心光电系统热管理团队的研究人员在国家自然科学基金青年科学基金项目（No. 51706225）的支持下深入研究了低成本、易实现的核态沸腾自组装法，并成功制备出性能优异的氧化石墨烯（GO）沸腾表面，通过精心地选择和调控自组装沉积参数，获得了最优的石墨烯二维层压结构表面，其临界热流密度和换热系数为261 W•cm-2 和9.1 W•cm-2• K-1，相比于原始的铜平面提高了104%和73%，达到国际先进水平，并且展现了优良的耐用性。通过对不同表面的气泡动力学行为可视化研究，并结合微观结构、润湿性、粗糙度、热还原效应和热活性等的表征及分析，揭示了GO表面强化沸腾传热的机理。相关研究成果发表在国际知名学术期刊Carbon（中科院1区TOP期刊，IF=7.466）上：“Wenbin Zhou, Lan Mao, Xuegong Hu*, Yu He, An optimized graphene oxide self-assembly surface for significantly enhanced boiling heat transfer. Carbon 2019, 150: 168-178.”

图1 制备得到的氧化石墨烯自组装表面及其微观二维层压结构

该研究结果中的GO自组装沸腾表面具有高度扩展性，能在多种衬底上形成并拓展到更大面积。此外，这种平面型强化沸腾结构还可以拓展为三维型强化沸腾结构，会进一步大幅度提高取热热流密度和换热系数。该GO自组装表面在工程应用中具有较大优势，有望在实际应用中解决高功率密度电子器件散热“卡脖子”问题，改善能源系统的效率、花费和安全性。

图2 氧化石墨烯自组装表面的强化沸腾传热性能

图2 氧化石墨烯自组装表面的稳定性测试结果