相變傳熱廣泛應用于化工、制冷、能源利用、電力電子器件熱管理等領域，但其換熱性能受傳熱器件微細結構和表面特性的重要影響。長期以來，加工微細結構或微納米復合結構（如肋、鰭片、槽道、多孔結構、表面鍍膜、金屬絲網等）被認為是一種非常有效的相變傳熱強化方法，根據特定的換熱條件，可以對微細結構的形狀和尺寸參數進行優化設計，以發揮最佳換熱性能。但是，這些微細結構加工完成后，其幾何結構就固定下來，一旦換熱條件發生變化，換熱特性往往會產生大的波動，進而影響換熱系統的性能。因此，研發一種能夠根據換熱條件變化而產生自適應變形的換熱結構，是優化換熱系統整體性能、提高穩定性和環境適應性的關鍵。由于普通材料的熱膨脹系數很小，很難滿足使微細結構發生大尺度變形的要求。

    中國科學院工程熱物理研究所傳熱傳質研究中心科研人員另辟蹊徑，聯合中科院金屬所姜海昌研究員采用形狀記憶合金研發出世界首款具有自適應變形微細結構的相變傳熱器件。記憶合金基于材料的熱彈性馬氏體（martensite）與母相奧氏體（austenite）之間的轉換而發生宏觀變形，從而在特定溫度條件下自發產生形狀記憶回復。形狀記憶合金產生的變形率大，重復性強，可實現上百萬次的大尺度反復形變，并且發生變形的溫度可控，通過特定的成分和結構設計，完全可以實現自適應的換熱結構的需求。目前，工業界已經開發出鈦鎳基合金、銅基合金、鐵基合金等眾多記憶合金材料。

    兩所科研人員選取在高效換熱器中廣泛應用的多孔表面換熱強化結構進行了原理驗證，在TiNi記憶合金材料上加工了具有開放通道、封閉多孔通道、及可變形多孔通道的表面結構（圖1），對沸騰換熱進行了對比實驗。對于具有微細多孔結構的換熱表面，封閉通道有助于在較小過熱度下實現沸騰起沸，而開放通道利于大熱流密度下的汽液交換，從而具有較高的換熱系數。實驗結果表明，具有可變形微結構的表面，結合了封閉通道和開放通道兩者的優點（圖2），在提高換熱系數和提高適應熱負荷變動能力方面具有很大的優勢（其機理見圖3）。
 

    圖1 形狀記憶合金微結構傳熱件
 

    圖2 傳熱性能的實驗結果
 

    圖3 可變形微細結構表面強化換熱機理

    除了上述多孔表面，利用形狀記憶合金，還可以加工各種各樣的可變形微細結構，原則上可用于換熱器、電子器件熱沉、熱管、毛細泵環、多孔介質及其他一些傳熱器件，既可提高換熱效果，也可根據某些需要進行傳熱控制，具有廣闊的應用前景。

    研究工作得到了中組部青年千人計劃、國家自然科學基金等項目的資助，相關研究成果已在應用物理權威期刊Applied Physics Letters及Proceedings of ASME 2015 International Mechanical Engineering Congress & Exposition發表（T. Wang, Y.Y. Jiang, H.C. Jiang, C. Guo, C.H. Guo, D.W. Tang, L.J. Rong, Surface with recoverable mini-structures made of shape-memory alloys for adaptive-control of boiling heat transfer,Appl. Phys. Letts., 107（2）， 023904, DOI:10.103/1.4926987, 2015.），并已申請發明專利5項，其中1項即將授權。

責任編輯：李玲珊

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