基于仿生多级结构的液滴沸腾传热强化与莱顿弗罗斯特点延迟机制研究

本文创新性地设计了一种仿生纳米-微米多级结构表面（HSS），通过三重通道架构实现蒸汽缓冲效应（VBE）和液体快速铺展，将莱顿弗罗斯特点（LP）延迟至273°C（较铜表面提升130°C）。研究结合多力竞争模型揭示了低韦伯数（We）通过调控冲击模式延缓LP的物理机制，并采用物理信息深度神经网络（DNN）精准预测不同表面的非线性沸腾行为（误差≈11%），为高温液滴相变传热器件设计提供了新思路。

　　

摘要

研究团队受自然界启发，开发出具有高纵横比的纳米-微米三级通道仿生结构（HSS）。该结构通过鱼鳞状纳米纹理（增强液体铺展动力学）和甲虫凸起状微米柱（提供蒸汽逃逸通道）的协同作用，将莱顿弗罗斯特点（LP）从铜表面的145°C显著延迟至273°C。实验发现低韦伯数（We=1）虽牺牲对流换热，但通过抑制水锤压力（WHF）和蒸汽力（F_v）可进一步延缓LP，颠覆了传统认为高冲击速度必然提升传热的认知。

1 引言

液滴冲击沸腾在极端紫外光刻、电子喷雾冷却等工业场景中至关重要，但莱顿弗罗斯特效应会阻碍热传递。现有研究多通过增强表面亲水性或促进蒸汽逃逸来延迟LP，但常面临导热性能下降的瓶颈。本文基于人眼角膜超亲水性和沙漠甲虫凸起结构的仿生设计，构建均质硅基纳米-微米分级结构，实现蒸汽缓冲与液体输送通道的解耦优化。

2 结果

表面设计与表征

制备的7种表面中，100-nano-micro结构具有最高固相分数（φ=49.3）和最佳润湿性，其40ms铺展半径超过纯纳米表面375ms的表现。原子力显微镜（AFM）显示鱼鳞状纳米纹理的阶梯结构可产生强毛细力，而激光共聚焦显微镜证实微米柱的50-100μm高纵横比空腔形成高效蒸汽缓冲通道（VBC）。

传热性能

在We=274时，6-nano-micro表面在155°C过热度下仍保持1135.4 W/(m²·K)的传热系数，而光滑表面已进入莱顿弗罗斯特状态。多力竞争模型量化显示：微米结构使245°C时的蒸汽压力降至光滑表面的1/13（≈10⁴ Pa），而We从274降至1可使水锤力（F_wh）降低约10⁴倍。

人工智能预测

建立的物理信息DNN模型以We、φ、无量纲温度（T）和铺展速度（V）为输入参数，通过500次主动学习循环优化后，对50-nano-micro表面的预测误差仅8.2%，成功捕获了从核态沸腾到LP转变的非线性规律。

3 讨论与结论

研究突破传统认为高冲击速度有利的认知框架，揭示"低We+高VBE"协同策略可最大化高温区传热。三重通道设计（顶部/底部纳米通道输送液体、微米间隙逃逸蒸汽）的创新架构，为航天器热防护等极端环境应用提供新方案。但需注意当前体系在蒸馏水工质外的普适性限制。

4 方法

材料制备

采用标准光刻和深反应离子刻蚀（ICP-DRIE）工艺，在硅片上制备周期为20μm的鱼鳞纳米结构，并通过氧等离子体处理引入亲水羟基。

实验系统

采用NI 9213数据采集系统（100Hz采样率），通过热电偶监测表面温度变化，高速摄像机捕捉We=1-274的液滴动力学行为。

建模方法

注意力机制DNN模型包含2个隐藏层，采用ReLU激活函数。输入参数经min-max归一化处理，自注意力模块权重矩阵通过梯度下降优化。