Carbon：高耐用性自组装碳纳米管纳米多孔涂层强化沸腾传热

沸腾传热被认为是最高效的换热方式之一，被广泛应用于热能相关领域，如高功率密度电子器件冷却、蒸汽发电、核反应堆冷却等。强化表面沸腾传热性能将有效提高热能系统的能效、安全性和降低系统成本，对节约能源和保护环境有重要意义。

图1自组装多壁碳纳米管涂层光学照片（左上角插图）及其微观形貌

近年来，纳米技术的快速发展使得在传热衬底上生成稳定的纳米材料涂层来提高相变传热性能成为可能。研究发现，具有优异的热学、力学性能及化学稳定性的碳纳米材料生成的稳定纳米涂层可有效强化表面的沸腾传热性能。如碳纳米管（CNTs）的类纤维结构使其易在衬底上形成多孔涂层，涂层中大量的微纳尺度孔隙在沸腾传热过程中可作为气化核心并诱发毛细芯吸现象，有利于换热系数（HTC）的进一步提高。

图2 多壁碳纳米管涂层的沸腾传热性能和稳定性测试结果

目前用于碳纳米材料涂层的制备方法大多对设备要求较高，制备工艺复杂，从而加工成本较高，加工时间较长，并且较难实现大规模工程应用。因此，我们深入研究了简单、低成本、易扩展的核态沸腾自组装法，通过精心地选择和调控自组装沉积参数，成功制备出了具有优异沸腾传热性能和稳定性的GO纳米涂层，研究结果已发表在Carbon上(Carbon，2019,150,168-178)。基于前期GO纳米涂层制备经验，此次我们运用核态沸腾自组装法进一步制备出了性能优异且耐用性好的多壁碳纳米管（MWCNTs）纳米多孔涂层，通过对涂层的微观结构、润湿性、毛细芯吸现象的表征，结合气泡可视化研究，分析并揭示了其强化沸腾传热的机理。

图3 多壁碳纳米管涂层强化沸腾传热机理示意图

本研究中的MWCNTs纳米多孔涂层临界热流密度（CHF）和最大HTC分别为217.7 W/cm2 和10.7 W/（cm2·K），相比于原始铜平面分别提高86.4% 和72.6%；相比于前期制备得到的GO纳米涂层，表现出强化沸腾传热系数的独特优势，相同热流密度下其HTC提高最大可达30%。在实际应用中该MWCNTs纳米多孔涂层可提高热能系统的能效、安全性和降低系统成本，具有良好的应用前景，并且为基于碳纳米材料的新型传热材料和装置的设计、高热流密度器件冷却和热能转化与节约等相关应用奠定了基础。

该研究以“Self-assembly carbon nanotubes nanoporous coating with great durability for highly efficient boiling heat transfer”为题发表在Carbon上（DOI: 10.1016/j.carbon.2020.03.064）。中国科学院大学博士生毛兰（培养单位为中科院工程热物理研究所）为本文第一作者，中科院工程热物理研究所胡学功研究员和周文斌助理研究员（现为北京工业大学教授）为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金项目（51706225）的资助。