《Surfaces and Interfaces》：Grooved Thermoresponsive Slippery Surfaces for Durable Dropwise Condensation and Guided Droplet Transport
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沟槽温敏性SLIPS表面通过石蜡-硅油复合润滑剂实现热响应润滑剂释放与各向异性流动，使滴速提升165%，冷凝传热效率提高41.4%，并具备自修复和长期稳定性，为高热流电子散热提供新方案。
刘丽英|罗成生|田卓月|皮丕辉|王双峰|文秀芳
华南理工大学化学与化学工程学院，广东省先进绝缘涂层工程技术研究中心，广东省绿色化工产品技术重点实验室，广州，510640，中国
摘要
滴状冷凝具有优越的传热性能，但其效率受到液滴脱离的强烈限制。传统的超疏水性和滑润液体浸渍多孔表面（SLIPS）能够增强液滴脱离效果，但在长时间使用后耐久性较差。本文开发了一种带有沟槽的热响应型SLIPS（GTR-SLIPS），通过注入石蜡-硅油复合润滑剂，结合热触发润滑剂释放和各向异性液滴传输机制，实现了高效的液滴脱离。在沟槽宽度为0.4毫米的GTR-SLIPS表面上，液滴呈现出滑润的Wenzel状态，并沿沟槽方向移动，与传统平面热响应型SLIPS相比，速度提高了165%，传热效率提升了41.4%。该表面表现出明显的各向异性滑动特性，阻力差异为74.3微牛顿，使得液滴能够沿沟槽定向传输。此外，在连续冷凝8小时或经过10次磨损循环后，70°C的加热处理可以恢复表面润滑性并修复磨损痕迹，显示出优异的自修复能力和长期可靠性。这项工作为可持续冷凝表面提供了一种耐用的设计策略，在高热流热管理领域具有重大潜力。
引言
电子设备的功率密度，尤其是AI芯片，已接近1千瓦·平方厘米，这使得散热成为可持续能源发展的关键瓶颈。数据中心已占全球电力消耗的约1%，其中热管理起着重要作用[1]。如此极端的热流密度要求采用先进的热管理技术。目前，基于相变的技术（如热管和蒸汽室）被广泛使用，工作流体通过蒸发和冷凝实现高效传热。冷凝传热是这些系统的核心过程，受到液滴动力学的显著影响。在冷凝过程中，微小液滴的积聚会阻碍传热，因此需要能够快速去除液滴的表面[2][3][4]。与膜状冷凝相比，低能量基底上的滴状冷凝由于液滴脱落效率高，传热性能可提高十倍[5][6]。然而，在超高热流应用中，实现快速液滴脱离和进一步增强界面传热仍面临挑战。
表面工程提供了调节液滴成核、生长和脱离的有效策略[7]。超疏水表面（SHSs）依靠空气缓冲层促进滴状冷凝，但一旦空气被排出，就会发生液滴滞留和淹没现象[8][9][10][11][12]。为了解决这个问题，滑润液体浸渍多孔表面（SLIPS）用液体润滑剂替代了空气缓冲层，这些润滑剂完全渗透到微观结构中[13][14][15]，确保冷凝发生在液-固界面，并防止液滴转变为高粘附性的Wenzel状态[16][17][18][19][20][21]。引入三维纹理结构进一步加速了液滴的聚集和脱落，增强了冷凝物的传输[22]。例如，受稻叶启发的沟槽SLIPS实现了各向异性滑动和定向液滴传输，而亲水沟槽结构则促进了液滴聚集并减少了滞留现象，从而加快了液滴去除速度[23]。
尽管取得了这些进展，润滑剂的消耗仍然是一个主要障碍。重力和液滴包裹会导致油分逐渐流失，降低传热效率并限制了表面的耐久性。固体润滑剂浸渍的表面虽然稳定性有所提高，但缺乏动态功能[24]。最近，相变材料（PCMs）被研究作为响应性润滑剂。它们固有的润滑性和温度依赖的相变特性使得表面润湿性可进行热调控[25][26]。例如，基于石蜡的SLIPS表现出明显的温度敏感性：在熔点以上，石蜡保持液态，液滴滑动顺畅；在熔点以下，固化会导致强粘附并抑制液滴移动[27][28][29]。因此，设计出能够自我补充润滑剂并保持稳定滴状冷凝的耐用SLIPS表面仍然是一个关键挑战。
本文通过在沟槽铜基底中同时注入石蜡和硅油，开发了一种带有沟槽的热响应型SLIPS（GTR-SLIPS-0.4）。该设计结合了热触发硅油释放和沟槽诱导的各向异性传输机制。与平面SLIPS相比，该表面上液滴速度提高了165%，液滴脱离直径减小到430微米，传热效率提升了41.4%。观察到强烈的各向异性滑动现象，阻力差异为74.3微牛顿，即使在重力作用下也能实现液滴传输。此外，还展示了自修复能力：在连续冷凝8小时或经过10次磨损循环后，70°C的加热处理可以恢复滑动性能。这些结果为可持续滴状冷凝提供了一种耐用的设计策略，对电子热管理具有直接应用价值。
材料
无水乙醇、异丙醇和丙酮购自广州光华科技有限公司。四氯化碳和氟烷基硅烷（AR）购自Aladdin公司。沟槽铜板（30×30毫米）由深圳智臻公司提供。过硫酸钾、氢氧化钾（AR）和35%盐酸购自广州化学试剂厂。二甲基硅油（约100厘斯托克）购自Macklin公司，石蜡（熔点60～65°C）购自...
GTR-SLIPS表面的设计
本研究提出了一种设计策略，即将相变材料（石蜡）和液体润滑剂共同注入沟槽表面。核心设计原则包括三个方面：首先，由于热阻与H/k成正比（其中H为涂层厚度，k为热导率），因此涂层必须足够薄以保持低热阻。液体润滑剂的厚度由纳米结构的锁闭能力控制。
结论
成功开发了一种含有石蜡和硅油的沟槽SLIPS表面，该表面结合了热响应型润滑剂释放和各向异性传输机制。这一设计显著增强了冷凝过程中的液滴脱落和传热效果。沿沟槽方向，液滴呈现滑润的Wenzel状态，阻力降低，速度提高了165%，冷凝物脱离直径减小到430微米，冷凝速率提高了41.4%
CRediT作者贡献声明
刘丽英：撰写——原始稿件、方法论、实验研究。
罗成生：撰写——原始稿件、方法论、实验研究。
田卓月：实验研究。
皮丕辉：指导工作。
王双峰：指导工作、资金获取。
文秀芳：指导工作、资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52176156和22278163）和广东省基础与应用基础研究基金（项目编号：2024A1515012403）的支持。
