熱效率近100%！摩方精密助力3D打印制造新型多孔超表面蒸發(fā)器

來源:摩方精密

在可再生能源高效利用的全球進程中，水蒸氣生成技術(shù)作為能量轉(zhuǎn)化與傳輸?shù)暮诵沫h(huán)節(jié)，正成為驅(qū)動能源體系低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵突破口。近年來，研究界圍繞熱能利用效率提升展開系統(tǒng)性攻關(guān)，成功構(gòu)建了熱損失最小化的新型熱力學優(yōu)化模型，并研制出可適配多場景工況的自適應(yīng)蒸發(fā)器系統(tǒng)，為技術(shù)迭代奠定了科學基礎(chǔ)。

超表面技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用為蒸發(fā)器性能突破提供了全新范式。作為基于單元胞結(jié)構(gòu)設(shè)計的功能化表面，超表面通過微納尺度孔洞與拓撲結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控，可實現(xiàn)對表面潤濕性、聲阻抗等特性的主動控制。其中，多孔超表面憑借其單元胞孔結(jié)構(gòu)的可編程特性，展現(xiàn)出對液體輸運、熱擴散及多重散射行為的精準調(diào)控能力。相較于傳統(tǒng)工程系統(tǒng)，此類表面通過先進增材制造技術(shù)，能夠在三維空間構(gòu)建分辨率達微米級的化學梯度與結(jié)構(gòu)異質(zhì)性，從而形成高活性蒸發(fā)界面，顯著提升相變過程的動態(tài)穩(wěn)定性。

基于此，來自千葉工業(yè)大學和密歇根大學的聯(lián)合研究團隊揭示了3D多孔超表面蒸發(fā)器的創(chuàng)新設(shè)計范式。前期，該團隊曾通過燒結(jié)金屬粉末構(gòu)建了具有微尺度毛細網(wǎng)絡(luò)的3D超表面蒸發(fā)芯體，實現(xiàn)蒸發(fā)效率的階躍式提升。本次研究則是通過微納3D打印技術(shù)再次構(gòu)建了3D超表面蒸發(fā)芯體，并成功控制了孔隙間距的公差，為太陽能驅(qū)動蒸汽發(fā)生、工業(yè)余熱回收等領(lǐng)域提供了創(chuàng)新性解決方案。這項研究以“3D-printed, ceramic porous metasurface wick: Hexagonal-prism unit-cell capillary evaporator ”為題發(fā)表于國際期刊《International Journal of Heat and Mass Transfer》上。

基于之前的研究，研究團隊設(shè)計的蒸發(fā)芯體采用晶胞基元結(jié)構(gòu)，在單層多孔基底上集成毛細動脈網(wǎng)絡(luò)，形成兼具液體輸運與熱擴散的雙重功能體系。該結(jié)構(gòu)通過延伸蒸發(fā)界面與持續(xù)基底潤濕的協(xié)同作用，即使在300 kW/m²級高熱流密度工況下仍能避免干涸現(xiàn)象。多尺度架構(gòu)設(shè)計使毛細力-粘性力動態(tài)平衡達到最優(yōu)，蒸發(fā)速率提升達50%，熱效率逼近理論極限值（η=0.98）。

而在本次研究實驗中的六角形棱鏡單胞蒸發(fā)器芯則是采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)（microArch® S240，精度：10 μm）制造而成。該芯厚度為375 μm，單元胞的孔隙率ε≈ 0.70，最大毛細管壓力約為400 Pa，滲透率約為10−9 m2。

圖1. 3D打印六角形棱鏡單胞蒸發(fā)器芯示意圖。

研究團隊在前期實驗階段采用石墨模具分層銅燒結(jié)工藝制備出具有毛細網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。然而，傳統(tǒng)燒結(jié)工藝雖能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)成型，卻受限于模具約束與材料單一性。相比之下，摩方微納3D打印技術(shù)通過無模具成型與多材料兼容特性，可靈活制備氧化鋁、氧化鋯等高性能陶瓷及特種聚合物芯體結(jié)構(gòu)，突破模具法在結(jié)構(gòu)自由度與設(shè)計迭代效率上的雙重瓶頸。

圖2. (a)3D打印10mm × 20mm氧化鋁六角形棱鏡蒸發(fā)器的光學圖像，基底為1mm；(b)掃描x射線顯微鏡（SXM）拍攝的器芯特寫。

據(jù)前期實驗結(jié)果顯示，由銅燒結(jié)的集成毛細網(wǎng)絡(luò)的芯體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了高達50%的蒸發(fā)率提升，熱效率接近100%。優(yōu)化設(shè)計通過避免干涸并保持高液氣界面面積，實現(xiàn)了穩(wěn)定的薄膜蒸發(fā)。這種性能提升使這些結(jié)構(gòu)在太陽能水蒸汽發(fā)生器、吸附式制冷機和被動冷卻系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

本次實驗中，研究團隊進一步驗證了微納3D打印技術(shù)在制備熱管理裝置上的優(yōu)勢，且助力研究設(shè)計突破傳統(tǒng)工藝限制，實現(xiàn)復(fù)雜微結(jié)構(gòu)芯體的一體化成型，開發(fā)周期較傳統(tǒng)方法大幅縮短。此外，摩方開源兼容的材料系統(tǒng)支持更多先進陶瓷等新材料和超材料的研究開發(fā)，為極端環(huán)境下的工業(yè)性材料設(shè)計開辟了可能性。

圖3. (a)用于預(yù)測有效導(dǎo)熱系數(shù)的熱模擬所得的單元胞內(nèi)截面溫度分布的代表性快照⟨𝑘⟩和六角形棱鏡蒸發(fā)器芯的特定電導(dǎo)𝐺∕dd；(b)用于預(yù)測的矩形域中的流線和速度分布滲透率𝐾。這兩個快照都適用于𝑝𝑐= 375 Pa。

此項研究不僅推動了蒸發(fā)科學的理論突破，更揭示了精密制造技術(shù)在產(chǎn)學研融合中的關(guān)鍵作用。摩方微納3D打印技術(shù)以超高打印精度、多種材料兼容性和智能化操作體系，成功推動熱能利用技術(shù)從傳統(tǒng)宏觀工程向微結(jié)構(gòu)精準調(diào)控的跨越升級，為全球能源體系轉(zhuǎn)型提供了中國方案。

隨著“雙碳”目標深化，高效熱能技術(shù)的研發(fā)需依托政策引導(dǎo)與產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同——從實驗室原型到規(guī)?；a(chǎn)，微納3D打印的快速迭代能力將大幅縮短技術(shù)轉(zhuǎn)化周期，未來，摩方也將持續(xù)深化跨領(lǐng)域協(xié)同攻關(guān)，助力我國在綠色制造領(lǐng)域占據(jù)國際競爭高地。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.127041