在可再生能源高效利用的全球進(jìn)程中，水蒸氣生成技術(shù)作為能量轉化與傳輸的核心環(huán)節，正成為驅動(dòng)能源體系低碳轉型的關(guān)鍵突破口。近年來(lái)，研究界圍繞熱能利用效率提升展開(kāi)系統性攻關(guān)，成功構建了熱損失最小化的新型熱力學(xué)優(yōu)化模型，并研制出可適配多場(chǎng)景工況的自適應蒸發(fā)器系統，為技術(shù)迭代奠定了科學(xué)基礎。

超表面技術(shù)的創(chuàng )新應用為蒸發(fā)器性能突破提供了全新范式。作為基于單元胞結構設計的功能化表面，超表面通過(guò)微納尺度孔洞與拓撲結構的精確調控，可實(shí)現對表面潤濕性、聲阻抗等特性的主動(dòng)控制。其中，多孔超表面憑借其單元胞孔結構的可編程特性，展現出對液體輸運、熱擴散及多重散射行為的精準調控能力。相較于傳統工程系統，此類(lèi)表面通過(guò)先進(jìn)增材制造技術(shù)，能夠在三維空間構建分辨率達微米級的化學(xué)梯度與結構異質(zhì)性，從而形成高活性蒸發(fā)界面，顯著(zhù)提升相變過(guò)程的動(dòng)態(tài)穩定性。

基于此，來(lái)自千葉工業(yè)大學(xué)和密歇根大學(xué)的聯(lián)合研究團隊揭示了3D多孔超表面蒸發(fā)器的創(chuàng )新設計范式。前期，該團隊曾通過(guò)燒結金屬粉末構建了具有微尺度毛細網(wǎng)絡(luò )的3D超表面蒸發(fā)芯體，實(shí)現蒸發(fā)效率的階躍式提升。本次研究則是通過(guò)微納3D打印技術(shù)再次構建了3D超表面蒸發(fā)芯體，并成功控制了孔隙間距的公差，為太陽(yáng)能驅動(dòng)蒸汽發(fā)生、工業(yè)余熱回收等領(lǐng)域提供了創(chuàng )新性解決方案。這項研究以“3D-printed, ceramic porous metasurface wick: Hexagonal-prism unit-cell capillary evaporator "為題發(fā)表于國際期刊《International Journal of Heat and Mass Transfer》上。

基于之前的研究，研究團隊設計的蒸發(fā)芯體采用晶胞基元結構，在單層多孔基底上集成毛細動(dòng)脈網(wǎng)絡(luò )，形成兼具液體輸運與熱擴散的雙重功能體系。該結構通過(guò)延伸蒸發(fā)界面與持續基底潤濕的協(xié)同作用，即使在300 kW/m2級高熱流密度工況下仍能避免干涸現象。多尺度架構設計使毛細力-粘性力動(dòng)態(tài)平衡達到，蒸發(fā)速率提升達50%，熱效率逼近理論極限值（η=0.98）。

而在本次研究實(shí)驗中的六角形棱鏡單胞蒸發(fā)器芯則是采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)（microArch® S240，精度：10 μm）制造而成。該芯厚度為375 μm，單元胞的孔隙率ε≈ 0.70，最大毛細管壓力約為400 Pa，滲透率約為10?9 m2。

研究團隊在前期實(shí)驗階段采用石墨模具分層銅燒結工藝制備出具有毛細網(wǎng)絡(luò )系統。然而，傳統燒結工藝雖能實(shí)現結構成型，卻受限于模具約束與材料單一性。相比之下，摩方微納3D打印技術(shù)通過(guò)無(wú)模具成型與多材料兼容特性，可靈活制備氧化鋁、氧化鋯等高性能陶瓷及特種聚合物芯體結構，突破模具法在結構自由度與設計迭代效率上的雙重瓶頸。

據前期實(shí)驗結果顯示，由銅燒結的集成毛細網(wǎng)絡(luò )的芯體結構實(shí)現了高達50%的蒸發(fā)率提升，熱效率接近100%。優(yōu)化設計通過(guò)避免干涸并保持高液氣界面面積，實(shí)現了穩定的薄膜蒸發(fā)。這種性能提升使這些結構在太陽(yáng)能水蒸汽發(fā)生器、吸附式制冷機和被動(dòng)冷卻系統中具有廣闊的應用前景。

本次實(shí)驗中，研究團隊進(jìn)一步驗證了微納3D打印技術(shù)在制備熱管理裝置上的優(yōu)勢，且助力研究設計突破傳統工藝限制，實(shí)現復雜微結構芯體的一體化成型，開(kāi)發(fā)周期較傳統方法大幅縮短。此外，摩方開(kāi)源兼容的材料系統支持更多先進(jìn)陶瓷等新材料和超材料的研究開(kāi)發(fā)，為惡劣環(huán)境下的工業(yè)性材料設計開(kāi)辟了可能性。

此項研究不僅推動(dòng)了蒸發(fā)科學(xué)的理論突破，更揭示了精密制造技術(shù)在產(chǎn)學(xué)研融合中的關(guān)鍵作用。摩方微納3D打印技術(shù)以超高打印精度、多種材料兼容性和智能化操作體系，成功推動(dòng)熱能利用技術(shù)從傳統宏觀(guān)工程向微結構精準調控的跨越升級，為全球能源體系轉型提供了中國方案。

隨著(zhù)“雙碳"目標深化，高效熱能技術(shù)的研發(fā)需依托政策引導與產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同——從實(shí)驗室原型到規?；a(chǎn)，微納3D打印的快速迭代能力將大幅縮短技術(shù)轉化周期，未來(lái)，摩方也將持續深化跨領(lǐng)域協(xié)同攻關(guān)，助力我國在綠色制造領(lǐng)域占據國際競爭高地。