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  噴霧冷卻是一種實現設備散熱和溫控的新型散熱方式，借助液體蒸發相變實現高效散熱，尤其對電子芯片和固體激光器等高功率設備散熱具有巨大的開發和應用前景。然而，液滴撞擊過程中通常存在飛濺和回收的現象，限制了噴霧冷卻過程中界面散熱的均勻性，阻礙了噴霧冷卻過程中傳熱效率的提高。通過調節基底的表面形貌，實現可控的液滴撞擊行為，有望解決這一問題。前期關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，其中輪廓算術平均高度R_a作為決定臨界飛濺條件是一個非常熱點的問題。雖然表面的二維輪廓繪制在科學和工程領域得到廣泛應用，然而，所有表面都是在三維而非二維空間相互作用的。實際工程表面的三維形貌非常復雜，而國際標準中的二維參數不足以對粗糙表面進行精確的定量描述，如峰谷特征、各向異性和各向同性等。因此，無法深入了解表面形貌影響三相移動接觸線（液滴飛濺）的物理機制和內在規律。其次，二維參數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，這直接導致二維參數與表面功能應用之間基本不存在相關性。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，合肥工業大學摩擦學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》期刊上發表了題為“Suppressed Droplet Splashing on Positively Skewed Surfaces for High-Efficiency Evaporation Cooling”的文章。該工作報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，發現負偏態表面更易促進液滴飛濺，而正偏態表面抑制液滴飛濺。這主要是由于負偏態表面截留的空氣使的液膜在表面呈現Cassie-Baxter狀態，從而使液膜的穩定毛細力超過空氣膜的失穩應力，并進一步從微觀界面力學的角度分析了表面形貌對液滴鋪展的影響和三相移動接觸線的力學性能。最后，證明了所設計的正偏態表面可以利用高效蒸發進行大面積散熱。

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視圖。b)微腔陣列的形貌和側視圖。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高速液滴撞擊結果的影響。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)表面形貌對潤濕性的影響。d)表面形貌對水滴撞擊結果的影響。e) 表面形貌效應對液滴飛濺臨界韋伯數閾值的影響。

圖3。不同表面形貌的液滴撞擊示意圖及機理解釋。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)表面的時間序列圖像和兩相分布。e-g)負偏態表面影響液滴飛濺的機理分析。

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

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

圖6。基于表面形貌效應的三相移動接觸線力學特性研究。(a)液滴撞擊不同表面形貌后無量綱直徑隨時間的變化。(b)液滴撞擊不同表面形貌對應的接觸線速度隨時間的變化。(c) We數對液滴撞擊表面后無量綱直徑直徑的影響。(d) We數對液滴撞擊表面后接觸線速度的影響。(e)表面形貌對液滴擴散的影響。(f)三相運動接觸線上的驅動力示意圖。

圖7�；妆砻嫘蚊矊φ舭l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)表面形貌對單液滴蒸發時間的影。(d)噴霧冷卻過程中不同形貌表面的平均溫度隨時間的關系。(e)液滴撞擊不同形貌表面后的擴散過程。

  該工作報道了在去耦潤濕性的影響下液滴撞擊具有不同幾何特征的粗糙表面時負偏態表面更容易促進液滴濺射。通過調節基底的表面形貌，實現可控的液滴撞擊行為能夠有效提高噴霧冷卻過程中蒸發散熱的均勻性與效率。影響液滴飛濺和三相接觸線運動的表面形貌效應可能對工業、農業和航空航天領域的應用產生深遠的影響，包括農業灌溉和農藥的噴灑以及水下可持續減阻的實現。

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