长春理工大学陶海岩教授：基于飞秒激光构建的三维氧化石墨烯纳米涂层增强沸腾传热

文章亮点

1. 制备三维空间分布的氧化石墨烯纳米涂层（3DSD-GO）；
2. 揭示了自适应导热-区域液体供应机制对沸腾传热性能的影响机理；
3. 实现具有不同微结构形貌的3DSD-GO 制备；
4. 提出一种克服石墨烯基材料传热增强瓶颈的策略。

研究背景

随着能源需求的不断增长以及核工业和高集成电子器件冷却等领域对超高热流密度传输的要求日益提高，如何提升沸腾表面的传热性能面临着更高挑战。石墨烯基二维纳米涂层凭借其优异的面内导热性能，一直被认为是提升沸腾传热性能的理想选择。然而，在利用该材料提升沸腾传热的研究中发现，二维石墨烯基纳米涂层的传热增强因子少以及增强因子难以灵活调控成为石墨烯基材料进一步提升沸腾传热性能的关键技术问题。

长春理工大学物理学院陶海岩研究团队，在利用飞秒激光制备具有三维空间分布的氧化石墨烯基纳米涂层（3DSD-GO）以增强石墨烯基材料提升沸腾传热性能方面取得了显著研究成果。该研究运用飞秒激光直写技术与纳米流体沸腾法相结合，成功制备出具有微结构形貌的氧化石墨烯纳米涂层，突破了传统二维涂层的维度限制，为石墨烯基材料提供了全新的可控传热增强因子。团队通过精心设计的实验测试，深入探究了具有微结构形貌的氧化石墨烯纳米涂层对传热性能的影响并在此基础上提出了自适应导热-区域液体供应机制，为突破石墨烯基纳米涂层的传热极限提供了重要依据以及全新优化策略。

相关研究成果以题为“Femtosecond laser-based construction of 3D spatially distributed graphene oxide surface for enhancing boiling heat transfer”发表在《International Journal of Heat and Mass Transfer》的2025年第237期上。（https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.126405）该研究成果不仅展示了超快激光技术与石墨烯基材料相结合在高性能散热元件制备领域的巨大潜力，也为石墨烯基材料涂层的设计和优化提供了实践指导。

研究内容

图1. 典型表面的SEM 图像：（a-a1）原始铜，（b-b1）GO 纳米涂层，（c-c1）沟槽槽谷，（d-d1）3DSD-GO 谷底；（e）GO 纳米涂层表面的拉曼光谱；（f）GO 纳米涂层的厚度；（g）典型表面的静态接触角。

图1展示了典型表面的表征结果。SEM表明，原始铜表面光滑，没有微结构（图1 a~1 a1）。经过GO纳米流体涂层制备后，原始铜表面出现微凸起和微皱纹，这源于GO颗粒沉积过程中的相互挤压（图1 b~1 b1）。大尺度沟槽的脊部与裸铜相似，而其槽谷处因快速凝固的熔融金属形成了明显的微凸起，从而增加了表面粗糙度（图1 c~1 c1）。3DSD-GO的脊部形貌与GO涂层相似，槽谷处存在微锥、微凸起和微腔（图1 d~1 d1）。进一步利用拉曼光谱、EDS（详见原文补充材料）和表面轮廓仪的表征结果表面，~1000 nm的GO涂层被成功制备且均匀性良好。静态接触角测量显示，GO纳米颗粒的沉积能够有效改变表面的润湿特性。

图2（a）四个表面的沸腾曲线，原始铜表面以及大尺度沟槽在沸腾曲线上的拐点用椭圆标记；(b) HTC 随表面热通量的变化。

图2展示了四个典型表面的饱和池沸腾实验结果。首先，所有处理过的表面的传热性能均优于裸铜，GO纳米涂层和大尺寸凹槽的性能提升较小，而3DSD-GO的CHF和HTC显著提升，分别增加118.1%和114.0%，达到236.9 Wcm^–²和10.7 Wcm^–² K⁻¹。此外，在3DSD-GO表面，观察到在较低壁面过热度下，沸腾曲线向左移动，且HTC在成核后相对于其余表面均有所提高。

另一方面，经过GO纳米涂层处理后，表面ONB的优化（原始铜/大尺度沟槽由8.8 K降至6.6 K/11.4 K降至4.9 K）以及沸腾拐点的消失也表明了GO纳米涂层对沸腾传热的优化作用。

图3 3DSD-GO中自适应导热-区域液体供应机制示意图：(a1)–(a6)部分核态沸腾的传热强化机制；(b1)–(b6)充分发展核态沸腾的传热强化机制，气泡图比例尺为5毫米。

在部分成核沸腾中，自适应导热-区域液体供应机制能够有效强化表面沸腾。由于成核区域（谷部）的液体相变消耗大量热量，导致非成核区域（脊部）温度高于谷部成核区域。GO纳米涂层凭借其优异的面内热导率，将热量从非成核区域传导至成核区域，同时成核区域的微尺度突起和微腔加速GO纳米涂层与相变界面之间的热传导。此外，这种设计还通过控制成核区域低于非成核区域，增强了气泡动力学引起的水流，克服了润湿性差异，从而迅速将水从亲水的非成核区域输送到成核区域。这使得在气泡脱离成核区域时，供液通道能够迅速补充液体，引发新一轮气泡成核。因此，3DSD-GO通过提升相变传热效率，能够耗散更多的潜热，提高了部分成核沸腾的热传导系数（HTC）。另一方面， GO纳米涂层的高横向热导率使热量均匀化，稳定了成核过程，抑制了明显的温度波动，从而使得拐点消失。

而在充分发展的核态沸腾中自适应导热-区域液体供应机制也强化表面沸腾特性。3DSD-GO具有的微结构使得生成的大量水蒸气无法完全覆盖非成核区域，从而保持其湿润，为水流提供通道。不同于部分核态沸腾，热/干点的存在导致多余热量聚集，使成核区域温度高于非成核区域。这些热量通过GO纳米涂层从热/干点迅速传导至非成核区域。非成核区域的微褶皱增加了相变液界面与沸腾表面之间的液固接触面积，增强了对流传热。此外，液体快速补充到成核区域的热/干点，并且成核区域的微凸起和微腔抑制气泡的横向扩展和纵向生成。而气泡脱离后的重新成核依赖于液体的过热，GO纳米涂层有效促进了液体之间的瞬态传热，缩短了重新成核的等待时间。因此，3DSD-GO在脊部提升了对流换热效率，抑制了成核区域热/干点的扩展，从而提高了HTC并延迟了CHF的触发。在核化沸腾过程中，3DSD-GO能根据热量分布自适应调整传热模式，协同增强对流换热和相变换热，使其具备优异的CHF和HTC。

图4四种表面的表征。不同表面形貌的池沸腾性能，其中未涂层表面标记为P，GO纳米涂层表面标记为 G。“G-微槽”代表具有 GO 纳米涂层的微槽表面，“P-微柱”代表没有GO 纳米涂层的微柱。（a）–（b）为微槽表面的 SEM 图像和静态接触角，（c）–（d）为微柱表面的 SEM 图像和静态接触角，比例尺为 100 μm。

为验证3DSD-GO制造方法的可设计性，利用FLDW的灵活性和可控性设计并制备了不同微结构作为GO纳米涂层的基底。图4 b和d中的SEM图像显示，在微槽和微柱表面均能制造3DSD-GO并有效改变其表面润湿特性（如图4 a-d 所示）。这些结果表明GO纳米涂层成功沉积在不同微结构表面上，证明3DSD-GO可以在各种基材上形成。此外，饱和池沸腾实验证明了具有不同形貌的3DSD-GO均能改变传热性能（如图4所示）。这些结果表明，自适应导热-区域液体供应机制在不同形貌的3DSD-GO中也能发挥作用。

总结与展望

本文通过GO自组装在飞秒激光制备的微结构上制备了三维空间分布的氧化石墨烯表面（3DSD-GO）。沸腾测试表明，与裸铜相比，3DSD-GO的CHF和HTC分别提高了118.1%和114.0%，达到236.9 Wcm^-2和10.7 Wcm^-2K^-1。这种显著的提升得益于沸腾过程中自适应导热-区域液体供应机制，该机制可以根据沸腾表面热量分布自适应地调整热量耗散模式，强化核态沸腾中的对流传热和相变传热。此外，得益于飞秒激光的灵活性，可以在具有不同形貌的微结构表面实现3DSD-GO 的制备并增强热性能。

作者简介

（通讯作者）陶海岩，男，教授，博士生导师（学术、专业双项导师），吉林省超快与极紫外光学重点实验室副主任，吉林省中青年创新创业人才、吉林省省域拔尖人才（D类），吉林省检测协会理事。目前担任面向能源领域的飞秒激光微纳加工及应用创新团队（省部级）带头人和压水堆堆芯热工性能协同优化技术创新团队（国家级）核心成员。以第一或通讯作者在Journal of Colloid and Interface Science；International Journal of Heat and Mass Transfer；Applied Physics Letters等国内外学术期刊上发表SCI论文30余篇；授权国家发明专利4项；出版学术专著4部（其中第一作者2部）。以负责人身份承担科技部、国家自然科学基金委、吉林省科技厅项目等10余项。荣获中国光学学会王大珩光学奖，吉林省科学技术奖自然科学奖二等奖。