武汉大学刘抗团队Joule:原位凝胶热聚合实现高达1000°C莱顿弗罗斯特效应抑制

研究团队以纯水作为散热基液，添加两性离子凝胶单体磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯（SBMA），并伴随加入热引发剂（APS）、催化剂（TEMED）和交联剂（MPS）构筑凝胶前驱体溶液（下文统称为SBMA溶液）。液滴存活寿命实验直观地展示了溶液的沸腾行为和散热能力。在超过200°C的高温热表面上，纯水液滴因蒸汽膜弹跳而呈现典型的莱顿弗罗斯特状态；而SBMA液滴在接触热表面时发生即时热聚合形成黏附细丝，液滴牢固地锚定在热表面并迅速发生核态沸腾（图1）。定量表征显示，在200-400°C温度区间纯水液滴寿命约100秒，而SBMA液滴大幅缩短至仅约3秒； SBMA溶液热流密度稳定维持在10⁵~10⁶ W/m²的核态沸腾水平，而纯水液滴则因为莱顿弗罗斯特效应仅可以达到10⁴ W/m²。

进一步发现随着SBMA溶液内部自由基聚合反应的不同阶段会表现出三种不同沸腾状态，分别是莱顿弗罗斯特/黏附态、黏附态、非流动状态，其对应着不同的液滴寿命（图2）。随着室温预反应时间增加，液滴寿命呈现先减后增的趋势。当预反应处于最佳反应时间时，液滴立即聚合粘附并发生核态沸腾，液滴寿命最短；预反应不足则先出现莱顿弗罗斯特现象后在高温下发生热聚合；预反应过长则变为不可流动凝胶，液滴以蒸发为主。

通过构建力学模型与微观结构表征，研究团队揭示了SBMA溶液彻底消除莱顿弗罗斯特效应的双重机制：黏附和排气（图3）。高温下聚合形成的水凝胶界面粘附能高达127.68 J m⁻²，比60 °C温和成形的水凝胶黏附能高两个数量级，引入的额外粘附压力使理论预测莱顿弗罗斯特温度超过1000 °C。同时，通过SEM观察表面图像和XRM重构沸腾后的水凝胶三维结构证实，聚合形成的水凝胶具有直径在10-100 μm的相互连通多孔结构，可作为蒸汽逸出的低阻力通道，使得蒸汽产生后快速排出。池沸腾实验进一步显示，水凝胶表面倾向抑制气泡成核，沸腾成核过程优先在孔隙区域形成并排出，避免对形成的黏附位点造成机械损伤。以上多种机制的协同作用使得SBMA液滴有效抑制莱顿弗罗斯特效应。

实际喷雾冷却场景中，研究者观察到SBMA液滴在撞击时牢固地附着而不飞溅，而纯水液滴表现为剧烈反弹和飞溅。在初始1000 °C的高温工件表面冷却性能测试中，SBMA喷雾100秒内降温约400 °C，纯水仅降温约100 ° C，散热能力实现了4倍的提升。

最后，将SBMA溶液应用于18650型锂离子电池的热失控抑制（图5）。当热失控触发、电池温度数秒内飙升至750°C时，常规纯水喷雾因Leidenfrost效应冷却缓慢。而SBMA溶液能在电池表面牢固附着，将最高温降至100°C所需的时间从约100秒大幅缩短至约10秒，相比纯水冷却时间减半。