具有微/纳米结构的固-液界面热输运机理研究

Solid-liquid interface with micro/nano-structure is propitious to the enhancement of boiling and condensing heat transfer, as well as to the reduction of flow resistance, and yet becomes research focus in the field of heat transfer enhancement today in the world. In this study, our goal is to investigate how the micro/nano-structure enhance heat transfer through solid-liquid interface, and the main efforts will be focused on accurately measuring the thermal resistance of solid-liquid interface using two-color femtosecond laser pump-probe thermoreflectance system. In order to understand how the size, shape, density, and arrangement of the micro/nano-structure on solid-liquid interface influence the interface thermal resistance, we have arranged an amount of measurement of the solid-liquid interface thermal resistance with sorts of micro/nano-structures. Molecular dynamics method will be utilized for heat transfer process simulation and analysis to theoretically make clear the influence rules of structures and material types on thermal resistance of solid-liquid interface. After that, we could find out the microscopic mechanism of thermal transport on solid-liquid interface, and accurately characterize and predict the performance of enhanced heat transfer interfacial material, and as a result, provide the experiment and theory basis for optimizing the micro/nano-structure for enhancing heat transfer through the solid-liquid interface in high-performance heat exchangers.

具有微/纳米结构的表面在强化沸腾、冷凝传热、减少流阻等应用方面具有重要的优势，是目前国际上强化传热界面领域的研究热点。本项目主要以具有微/纳米结构的强化传热界面为研究对象，应用双波长飞秒激光抽运-探测热反射系统，对其固-液界面热阻进行精确测量和系统研究。通过对多种微米、纳米结构及微/纳米复合结构固-液界面热阻的测量及规律总结，得到表面微/纳结构的尺寸、形状、疏密程度及排列方式等对固-液界面热阻的影响规律。在理论上采用分子动力学模拟方法建立相应的热输运理论模型，揭示固-液界面热阻受纳米结构及材料影响的规律。通过实验与理论相结合，揭示固-液界面上热输运现象的微观机理，实现可对强化传热界面材料的性能进行准确表征及预测的目的。为指导强化传热界面材料的微/纳结构优化设计，进而为高性能换热器的研制提供实验依据及理论基础。

本项目在执行期间，基本按照计划内容将工作逐一展开。为了实现对具有微纳米结构的固液界面热输运性质的研究，我们对与其相关的诸多现象和机理都进行了深入细致的探讨和分析。该研究内容涉及到了纳米材料自身热物性，固-固及固-液界面热输运的实验观测和纳米结构对界面热输运影响规律的理论模拟。对该项目的研究，使我们加深了对纳米尺度下各种输运过程的理解，提高了我们的实验及理论研究能力。因而我们的研究工作不仅严格执行了原计划内容，而且已经不单局限于原此，还进行了较大范围的研究扩展。.主要完成的成果包括：1）按计划对飞秒激光抽运探测热反射(TDTR)实验系统的升级改造，使其适应有纳米结构的固-液界面的测量，并且我们还进一步是该系统实现了对纳米颗粒溶液中的固-液界面测量；2）完成了多种界面及纳米材料热物性的测量，总结出多条有应用价值的规律；3）通过分子动力学模拟，较全面的研究了纳米材料自身热导率及具有纳米结构的界面热输运性质受多种因素的影响规律；4）已发表的学术文章9篇，其中SCI收录文章7篇。.扔需进一步完成的工作包括：1）完成剩余的表面纳米分子层改性固-液界面样品的全部测量和分析任务，总结规律并撰写学术论文；2）完成其余的2~3篇在投或在写学术论文的修改或投稿工作。