这篇文章的标题为《蜂窝结构和基底热导率在高温下接触时间减少中的协同效应》（The synergistic effect of honeycomb structure and substrate thermal conductivity on the reduction of contact time at high temperatures），作者包括Minjie Liu、Shuaiquan Zhu、Zhili Ma、Gan Tian 和 Xiaoyu Ding，来自中国天津的天宫大学机械工程学院。该研究发表于《International Journal of Heat and Mass Transfer》期刊，并且该文于2024年8月2日提交，经过修订后于2024年10月18日接受。

学术背景

该研究的主要科学领域是热传导和液滴动力学，特别是在高温环境下液滴与表面接触的时间问题。液滴在高温表面上的动力学行为对许多工业领域至关重要，尤其是在蒸汽冷却、自清洁、抗结冰和冷凝等应用中。在这些应用中，减少液滴的接触时间可以有效提升热传导效率，优化热管理。然而，目前的研究主要集中在表面形态或材料的单一特性上，鲜有研究探讨表面结构和基底热导率之间的协同效应。因此，本研究的目标是通过设计层级化的蜂窝结构，并结合不同热导率的基底，探索如何调控液滴接触时间，尤其在高温下的影响。

研究流程

本研究的实验流程可以分为多个主要步骤。

1. 蜂窝结构的表面制备
   研究者首先采用气泡模板辅助电沉积的方法，在铜、黄铜H96、黄铜H65和不锈钢SS316四种基底上制备了蜂窝结构表面。电沉积过程使用了含有硫酸铜和硫酸的电解液，电沉积时间为10秒，采用恒流密度为3A/cm²。此方法不仅简单且成本低廉，同时能够在多种金属表面实现蜂窝结构的制备。

2. 液滴撞击实验的设置
   实验中，液滴从10毫米的高度释放，使用高速相机（8000帧/秒）记录液滴撞击不同表面后的动态过程。液滴的温度范围设置为150℃到500℃，并且实验通过不同热导率的基底表面来考察温度对液滴接触时间的影响。

3. 液滴动力学分析
   在液滴与蜂窝表面接触的过程中，研究者观察到液滴在不同温度下的扩展、跳跃及离开表面的现象。研究中，蜂窝结构的特殊性在于其能够有效促进液滴的“煎饼跳跃”（pancake bouncing）现象，这一现象显著减少了液滴的接触时间。

4. 数据分析与计算
   通过记录液滴的扩展直径、最大扩展直径、最小接触高度等参数，研究者对比了不同温度和基底材料下液滴接触时间的变化。此外，采用了傅里叶热导定律等数学模型计算了不同基底热导率对蒸汽压力和液滴脱离时间的影响。

研究结果

本研究的主要发现如下：

1. 液滴动态与温度的关系
   随着温度的升高，液滴在蜂窝结构表面上经历了从接触煮沸（contact boiling）到煎饼跳跃（pancake bouncing）再到半悬浮状态（semi-levitation）的变化。例如，在150℃时，液滴经历典型的接触煮沸状态，液滴与表面始终保持接触，直到完全蒸发；但在200℃以上时，液滴开始表现出煎饼跳跃的现象，并随着温度进一步升高，表现出半悬浮的行为，这一过程的发生主要受到局部蒸汽压力的推动。

2. 热导率的影响
   实验结果表明，基底热导率对液滴的接触时间具有显著影响。在高热导率的基底上，液滴的接触时间明显减少，尤其是在铜和黄铜H96基底上，煎饼跳跃现象的温度起点较低，而在不锈钢SS316等低热导率基底上，则表现出较高的温度起点，且未观察到半悬浮现象。

3. 不同基底下的液滴表现
   比较了不同基底材料（铜、黄铜H96、黄铜H65和不锈钢SS316）下液滴的动态行为，结果表明热导率越高，液滴的接触时间越短，尤其在煎饼跳跃状态下，热导率较高的基底可以更有效地促进液滴的脱离。

4. 液滴性能的量化分析
   在煎饼跳跃过程中，研究者量化了液滴的变形和最大扩展直径（dmax/d0）、最大高度（hmax/d0）等参数。实验表明，液滴在蜂窝表面上的扩展速度和热传导效率显著提高，但随着温度的升高，液滴的最大扩展直径和最大高度出现了下降趋势，这与蒸汽压力和接触面积的变化有关。

5. 蒸汽压力与热传导的关联
   通过理论模型分析，研究者发现蒸汽压力与热导率之间存在正相关关系，基底的热导率越高，液滴脱离的蒸汽压力越大，从而加速了液滴的脱离。

结论

本研究深入探讨了蜂窝结构和基底热导率对液滴接触时间的协同效应。研究发现，通过合理设计表面结构和选择合适的基底材料，可以有效减少液滴在高温表面上的接触时间，这对于提高热传导效率和优化冷却系统具有重要应用价值。蜂窝结构的表面能够显著改善液滴的煎饼跳跃现象，尤其是在高频喷雾冷却等热管理领域具有广泛的应用潜力。

研究亮点

1. 煎饼跳跃现象的发现
   本研究通过层级化非连接蜂窝结构，发现了液滴在高温下的煎饼跳跃现象，并揭示了其与基底热导率的关系。这一发现突破了传统液滴接触模型的局限，为液滴动力学提供了新的视角。

2. 协同效应的揭示
   本研究首次揭示了表面结构和基底热导率之间的协同效应，并表明这种协同作用能够有效调控液滴接触时间，为多种高温应用提供了理论基础。

3. 实际应用前景
   研究结果对于工业领域，特别是在高频喷雾冷却、热管理和自清洁表面等方面具有重要的实际意义。通过合理选择基底材料和优化表面结构，可以大大提高冷却效率，降低能源消耗。

本研究通过创新的实验设计和理论分析，成功揭示了蜂窝结构和基底热导率在高温下液滴接触时间调控中的协同效应，具有显著的学术价值和广泛的应用前景。