喷雾冷却是一种实现设备散热和温控的新型散热方式，借助液体蒸发相变实现高效散热，尤其对电子芯片和固体激光器等高功率设备散热具有巨大的开发和应用前景。然而，液滴撞击过程中通常存在飞溅和回收的现象，限制了喷雾冷却过程中界面散热的均匀性，阻碍了喷雾冷却过程中传热效率的提高。通过调节基底的表面形貌，实现可控的液滴撞击行为，有望解决这一问题。前期关于表面形貌影响液滴的飞溅研究主要集中在表面的二维粗糙度R_a、R_rms和R_pk/R_sm，其中轮廓算术平均高度R_a作为决定临界飞溅条件是一个非常热点的问题。虽然表面的二维轮廓绘制在科学和工程领域得到广泛应用，然而，所有表面都是在三维而非二维空间相互作用的。实际工程表面的三维形貌非常复杂，而国际标准中的二维参数不足以对粗糙表面进行精确的定量描述，如峰谷特征、各向异性和各向同性等。因此，无法深入了解表面形貌影响三相移动接触线（液滴飞溅）的物理机制和内在规律。其次，二维参数主要反映表面形貌截面轮廓的高度信息，而忽略了水平方向的轮廓信息，这直接导致二维参数与表面功能应用之间基本不存在相关性。例如，不同加工方法加工出的表面，其三维表面形貌差异很大，应用功能也不同，但表面粗糙度R_a却相同或相似。

  近日，合肥工业大学摩擦学研究所焦云龙副研究员（通讯作者）及刘焜教授课题组等人在《Small》期刊上发表了题为“Suppressed Droplet Splashing on Positively Skewed Surfaces for High-Efficiency Evaporation Cooling”的文章。该工作报道了液滴撞击两种粗糙度相同但表面形貌完全不同的功能表面，发现负偏态表面更易促进液滴飞溅，而正偏态表面抑制液滴飞溅。这主要是由于负偏态表面截留的空气使的液膜在表面呈现Cassie-Baxter状态，从而使液膜的稳定毛细力超过空气膜的失稳应力，并进一步从微观界面力学的角度分析了表面形貌对液滴铺展的影响和三相移动接触线的力学性能。最后，证明了所设计的正偏态表面可以利用高效蒸发进行大面积散热。

图1。具有不同几何特征的三维表面形貌表征。a)微柱阵列的形貌和侧视图。b)微腔阵列的形貌和侧视图。c)微柱和微腔阵列的二维轮廓图。d)不同位置轮廓的算术平均粗糙度Ra。e)表面三维形貌特征。f)Ssk曲线。

图2。制备具有不同几何特征的三维表面形貌及其对高速液滴撞击结果的影响。a)皮秒激光制备的微柱阵列和微腔阵列示意图。b)制备样品的表面形貌。c)表面形貌对润湿性的影响。d)表面形貌对水滴撞击结果的影响。e) 表面形貌效应对液滴飞溅临界韦伯数阈值的影响。

图3。不同表面形貌的液滴撞击示意图及机理解释。液滴撞击微柱阵列(a)和微腔阵列(b)的气体逃逸路径示意图。模拟液滴撞击微柱阵列(c)和微腔阵列(d)表面的时间序列图像和两相分布。e-g)负偏态表面影响液滴飞溅的机理分析。

图4。压力对液滴撞击结果的影响。a)真空装置原理图。不同环境压力下We≈264 (b)和We≈454 (c)下表面形貌对液滴撞击表面结果的影响。

图5。We数对不同几何特征的三维形貌表面液滴撞击结果的影响。(a) We≈172。(b) We≈256。(c) We≈429。(d) We≈686。

图6。基于表面形貌效应的三相移动接触线力学特性研究。(a)液滴撞击不同表面形貌后无量纲直径随时间的变化。(b)液滴撞击不同表面形貌对应的接触线速度随时间的变化。(c) We数对液滴撞击表面后无量纲直径直径的影响。(d) We数对液滴撞击表面后接触线速度的影响。(e)表面形貌对液滴扩散的影响。(f)三相运动接触线上的驱动力示意图。

图7。基底表面形貌对蒸发散热特性的影响。(a)水滴撞击不同形貌表面的散热示意图。(b)液滴撞击不同形貌表面的热像。(c)表面形貌对单液滴蒸发时间的影。(d)喷雾冷却过程中不同形貌表面的平均温度随时间的关系。(e)液滴撞击不同形貌表面后的扩散过程。

  该工作报道了在去耦润湿性的影响下液滴撞击具有不同几何特征的粗糙表面时负偏态表面更容易促进液滴溅射。通过调节基底的表面形貌，实现可控的液滴撞击行为能够有效提高喷雾冷却过程中蒸发散热的均匀性与效率。影响液滴飞溅和三相接触线运动的表面形貌效应可能对工业、农业和航空航天领域的应用产生深远的影响，包括农业灌溉和农药的喷洒以及水下可持续减阻的实现。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202307759