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，水蒸氣生成技術作為能量轉化與傳輸的核心環(huán)節(jié)，正成為驅動能源體系低碳轉型的關鍵突破口。近年來，研究界圍繞熱能利用效率提升展開系統(tǒng)性攻關，成功構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蒸發(fā)器系統(tǒng)，為技術迭代奠定了科學基礎。

超表面技術的創(chuàng)新應用為蒸發(fā)器性能突破提供了全新范式。作為基于單元胞結構設計的功能化表面，超表面通過微納尺度孔洞與拓撲結構的精確調控，可實現對表面潤濕性、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構的可編程特性，展現出對液體輸運、熱擴散及多重散射行為的精準調控能力。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，能夠在三維空間構建分辨率達微米級的化學梯度與結構異質性，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合研究團隊揭示了3D多孔超表面蒸發(fā)器的創(chuàng)新設計范式。前期，該團隊曾通過燒結金屬粉末構建了具有微尺度毛細網絡的3D超表面蒸發(fā)芯體，實現蒸發(fā)效率的階躍式提升。本次研究則是通過微納3D打印技術再次構建了3D超表面蒸發(fā)芯體，并成功控制了孔隙間距的公差，為太陽能驅動蒸汽發(fā)生、工業(yè)余熱回收等領域提供了創(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，研究團隊設計的蒸發(fā)芯體采用晶胞基元結構，在單層多孔基底上集成毛細動脈網絡，形成兼具液體輸運與熱擴散的雙重功能體系。該結構通過延伸蒸發(fā)界面與持續(xù)基底潤濕的協同作用，即使在300 kW/m²級高熱流密度工況下仍能避免干涸現象。多尺度架構設計使毛細力-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（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工藝制備出具有毛細網絡系統(tǒng)。然而，傳統(tǒng)燒結工藝雖能實現結構成型，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構，突破模具法在結構自由度與設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。

據前期實驗結果顯示，由銅燒結的集成毛細網絡的芯體結構實現了高達50%的蒸發(fā)率提升，熱效率接近100%。優(yōu)化設計通過避免干涸并保持高液氣界面面積，實現了穩(wěn)定的薄膜蒸發(fā)。這種性能提升使這些結構在太陽能水蒸汽發(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打印技術在制備熱管理裝置上的優(yōu)勢，且助力研究設計突破傳統(tǒng)工藝限制，實現復雜微結構芯體的一體化成型，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)性材料設計開辟了可能性。

圖3. (a)用于預測有效導熱系數的熱模擬所得的單元胞內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𝐺∕dd；(b)用于預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在產學研融合中的關鍵作用。摩方微納3D打印技術以超高打印精度、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從傳統(tǒng)宏觀工程向微結構精準調控的跨越升級，為全球能源體系轉型提供了中國方案。

隨著“雙碳”目標深化，高效熱能技術的研發(fā)需依托政策引導與產業(yè)鏈協同——從實驗室原型到規(guī)模化生產，微納3D打印的快速迭代能力將大幅縮短技術轉化周期，未來，摩方也將持續(xù)深化跨領域協同攻關，助力我國在綠色制造領域占據國際競爭高地。

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