城大最新研發結構熱裝甲 顛覆1756年的萊頓弗羅斯特效應 解決極端高溫壁面液體冷卻失效的世界級難題

廖卓怡

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Members of the CityU research team: (from left in front row) Dr Steven Wang, Professor Wang, Professor Pan Chin, Dr Jiang Mengnan (from left in back row) Mr Liu and Mr Li.
城大研究團隊成員:(前排左起)Steven Wang博士、王教授、潘教授、蔣博士;(後排左起)劉先生和李先生。

 

香港城市大學(城大)學者領導的研究團隊,最新研發的結構熱裝甲,能有效將液體冷卻的應用溫度提升至1,000°C(攝氏)以上,徹底解決266年以來萊頓弗羅斯特效應帶來的難題。這項突破可應用於航空及航天引擎,並提高新一代核反應堆的安全及可靠度。

該項目由城大機械工程學系王鑽開教授、法國巴黎文理研究大學David Quéré教授,及吉林大學未來科學國際合作聯合實驗室主任兼城大香港高等研究院資深院士于吉紅教授共同領導研發。

研究結果已於最新一期國際權威學術期刊《自然》發表,題目是「抑制萊頓弗羅斯特效應,實現1,000°C以上高效熱能冷卻」,亦於《自然》的新聞與觀點欄目刊登。

萊頓弗羅斯特效應是1756年發現的經典物理現象。當液體滴落在溫度遠超其沸點的固體表面時,在液體與超高溫表面之間瞬間產生絕熱的蒸汽層,使液體懸浮並阻斷固液接觸,導致傳熱效果顯著降低,甚至會使液體對高溫表面的冷卻失效。長久以來科學家一直無法克服這個挑戰。

Figure 1: (a) A STA consists of an array of thick pillars acting as thermal bridges and holding an insulating superhydrophilic membrane that wicks the incoming liquid. This membrane is positioned so as to create channels that can evacuate the vapour (purple arrows). (b) The membrane is made of nanometric silica fibres that are capable of resisting temperatures of up to approximately 1,200°C.
圖1:(a) 結構熱裝甲設有一排用作傳熱橋樑的結實柱體,並嵌有用以吸走流入液體、超親水的隔熱薄膜。這片薄膜用作構建管道,以排走蒸氣(紫色箭嘴所示)。(b) 薄膜以納米二氧化矽纖維製成,能夠抵受高達攝氏約1,200度。

 

由城大領導的團隊建構了一種多層級復合結構熱裝甲,具有熱異相性及多層級拓撲結構:結構整體由貫穿的導熱柱體支撐,以起到快速傳熱作用(熱橋);中層嵌有絕熱的多孔薄膜,以快速吸入及蒸發液體;底層的U型通道則用作及時排出蒸氣。這項創新的結構巧妙實現了無阻礙的快速熱傳導,氣液自發相分離,及液體在極端高溫下的超浸潤現象,即使在1,150°C極端高溫下,仍能完全抑制萊頓弗羅斯特效應,並在整個溫度區間(100至1,150°C)均具有高效、可控的冷卻性能(圖1及圖2)。

Figure 2: High-speed side and top views of water drops (dyed in orange and having a volume of 17 μl) contacting Sample A (no membrane), Sample B (no channel) and Sample C (STA), all brought to 1,000 °C. Water on Sample C gets constantly pinned and sucked by the membrane, which leads to a lifetime of 0.33s, approximately 50 times smaller than that on Samples A & B.
圖2:高速拍攝染成橙黃色、體積為17微升的水滴,落在三個溫度均達攝氏1,000度樣本的側攝及俯攝圖。樣本A並無薄膜,樣本B並無管道,而樣本C則為結構熱裝甲。水滴落在樣本C後,全由薄膜吸納,並於0.33秒內蒸發,相比落在樣本A及樣本B的蒸發時間大幅減少約50倍。

 

王教授說:「這項突破性研究成果是表界面科學、流體動力學、熱能、材料科學、物理學、能源及工程學等跨領域的集成創新。自1756年以來,科學家一直致力探索能夠在高溫表面高效液體冷卻的新方法。我們打破了固有的傳熱設計思想和結構體系,成功地從基本原理、設計和材料上進行顛覆性創新,抑製萊頓弗羅斯特現象,將超高溫環境下高效液體冷卻的不可能轉化為可能,這是史無前例的成果。」

王教授指出,由於萊頓弗羅斯特現象的緣故,目前航空及航天引擎、新一代核反應堆等在超高溫下進行熱能冷卻,大多是採用低效的氣體冷卻而非高效液體冷卻。

Figure 3: (a) A smooth spheroidal piece of steel can be covered by thick pillars after wire cutting. Inserting a membrane in the pillars provides a curved STA. (b) STA can also be made on thin films of steel, which makes it flexible. The films can be welded onto flat or cylindrical solids. (c) The armours are tested to be able to provide rapid and efficient cooling, as evidenced by the drop in temperature (red data).
圖3:(a) 光滑的圓形鐵塊經絲線切割後,可在上面覆蓋厚柱體;在柱體內嵌入薄膜,即可成為曲面的結構熱裝甲。(b) 結構熱裝甲亦可用薄鐵片製成,使其應用更加靈活,可焊接在扁平或圓柱形實體上。(c) 紅線顯示溫度下降的情況,結構熱裝甲經測試證明能夠令物體加快冷卻。

 

王教授補充說:「我們設計的結構熱裝甲,可以製作成柔性器件,並緊固裝配在各種形狀的表面,這樣對於難以直接微加工的表面也具有巨大的實用潛力。」(圖3)

王教授、Quéré教授及于教授是研究論文的通訊作者,城大機械工程學系蔣孟男博士王洋博士為第一作者。

其他合作者包括中華電力講座教授(核子工程)兼城大機械工程學系系主任潘欽教授、助理教授Steven Wang博士、研究助理張歡歡博士、博士生劉法鈺李玉超,以及香港理工大學工業及系統工程學系杜雪教授和博士生杜晗恒

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