香港城大研發出結構熱裝甲 解決逾260年來液體冷卻極端高溫失效的世界級難題

鋼鐵和航天工業以至核電廠設施，都需要有效地冷卻高溫的表面，但在物理學上，高溫會衍生萊頓弗羅斯特效應（Leidenfrost effect），阻礙液體冷卻高溫表面。香港城市大學（香港城大）學者領導的研究團隊，最新研發出「結構熱裝甲」，能有效將液體冷卻的應用溫度提升至攝氏1,000°C以上，徹底解決266年以來萊頓弗羅斯特效應帶來的難題。這項技術突破可應用於航空及航天引擎等方面，並提高新一代核反應堆的安全及可靠度。

該項目由香港城大機械工程學系王鑽開教授、法國巴黎文理研究大學David Quéré教授，及吉林大學未來科學國際合作聯合實驗室主任兼香港城大香港高等研究院資深院士于吉紅教授共同領導研發。研究結果已於最新一期國際權威學術期刊《自然》（Nature）上發表，題為〈抑制萊頓弗羅斯特效應，實現1,000°C以上高效熱能冷卻〉（Inhibiting the Leidenfrost effect above 1,000 °C for sustained thermal cooling），亦於《自然》的新聞與觀點欄目刊登。

為什麼液體一般未能冷卻高溫表面

萊頓弗羅斯特效應是於1756年被發現的經典物理現象。日常生活常見的例子是，把水滴在滾燙的鐵板上，若鐵板温度高於水的沸點100°C，水會迅速沸騰，但若鐵板温度超高，達到萊頓弗羅斯特點（Leidenfrost point），水珠會在鐵板四處滾動，並逐漸蒸發，水珠存活更久。這是因為當液體滴落在溫度遠超其沸點的固體表面時，在液體與該超高溫表面之間會瞬間產生絕熱（thermal insulating）的蒸汽層，使液體懸浮，並阻斷固液接觸（liquid-solid contact）而導致傳熱效能顯著降低，甚至會使液體對高溫表面的冷卻失效。這是科學家一直無法克服的挑戰。

這個維持了266年的世紀難題，終於由香港城大領導的的團隊拆解了。他們建構了一種稱為「結構熱裝甲」（structured thermal armour）的新材料，由多層物料復合而成，而這些物料彼此具有相反的熱學特性及不同形貌：該結構由貫穿整體、高導熱性的鋼柱體支撐，以作快速傳熱；中層嵌有絕熱的多孔薄膜，以快速吸入及蒸發液體；底層的U型通道則用作及時排出蒸氣。這項創新的結構巧妙實現了無阻礙的快速熱傳導，透過蒸發將液體中的熱能傳走，液體在極端高溫下亦發生一般不會出現的超浸潤現象。研究發現即使在1,150°C極端高溫下，結構熱裝甲仍能完全抑制萊頓弗羅斯特效應，比舊有紀錄提升了600°C，並在整個温度區間、即100至1,150°C之間，均具有高效、可控的冷卻性能。

團隊研發的結構熱裝甲除了柱體，既有薄膜，亦有管道。而為了進行對照的實驗，團隊製作出另外兩種結構樣本：一種有U形管道並無薄膜，另一種只有薄膜並無U形管道。團隊然後將染成橙黃色的水滴，滴落上述三個溫度均達攝氏1,000度的樣本之上。

實驗結果顯示，水滴落在既有薄膜，亦有管道的結構熱裝甲後，全由薄膜吸納並於0.33秒內蒸發，相比落在無薄膜或無管道的表面上，蒸發所需時間大幅減少約50倍，令熱能被迅速帶走，讓表面降溫。

結構熱裝甲可製成柔性器件用於各種表面

王教授說：「這項突破性研究成果是表界面科學、流體動力學、熱能、材料科學、物理學、能源及工程學等跨領域的集成創新。自1756年以來，科學家一直致力探索能夠在高溫表面運用液體作高效冷卻的新方法。我們打破了固有的傳熱設計思想和結構體系，成功從基本原理、設計和材料上進行顛覆性創新，抑製了萊頓弗羅斯特效應，將超高溫環境下高效液體冷卻的不可能轉化為可能，這是史無前例的成果。」

王教授指出，由於萊頓弗羅斯特效應的緣故，目前航空及航天引擎、新一代核反應堆及超高温器件等在超高溫下進行熱能冷卻，大多是採用了低效的氣體冷卻而非高效的液體冷卻。團隊這次技術上的突破，有望令高效的液體冷卻被應用於核反應堆設施，避免發生核事故。

王教授補充說：「我們設計的結構熱裝甲，更加可以製作成柔性器件，並緊固裝配在各種形狀的表面，於難以直接微加工的表面之上，也具有巨大的實用潛力。」

王教授、Quéré教授及于教授是研究論文的通訊作者，香港城大機械工程學系蔣孟男博士及王洋博士為第一作者。研究的其他合作者包括香港城大機械工程學系系主任潘欽教授、助理教授Steven Wang博士、研究助理張歡歡博士、博士生劉法鈺和李玉超，以及香港理工大學工業及系統工程學系杜雪教授和博士生杜晗恒。

是次研究獲得香港研究資助局、騰訊基金會頒授的「科學探索獎」、創新科技署、國家自然科學基金委員會、以及高等學校學科創新引智計劃（簡稱「111計劃」）的資助而進行。

https://www.cityu.edu.hk/zh-hk/research/stories/2022/01/27/new-structured-thermal-armour-achieves-liquid-cooling-above-1000degc-overcoming-challenge-leidenfrost-effect