热效率近100%！摩方精密助力3D打印制造新型多孔超表面蒸发器

来源:摩方精密

在可再生能源高效利用的全球进程中，水蒸气生成技术作为能量转化与传输的核心环节，正成为驱动能源体系低碳转型的关键突破口。近年来，研究界围绕热能利用效率提升展开系统性攻关，成功构建了热损失最小化的新型热力学优化模型，并研制出可适配多场景工况的自适应蒸发器系统，为技术迭代奠定了科学基础。

超表面技术的创新应用为蒸发器性能突破提供了全新范式。作为基于单元胞结构设计的功能化表面，超表面通过微纳尺度孔洞与拓扑结构的精确调控，可实现对表面润湿性、声阻抗等特性的主动控制。其中，多孔超表面凭借其单元胞孔结构的可编程特性，展现出对液体输运、热扩散及多重散射行为的精准调控能力。相较于传统工程系统，此类表面通过先进增材制造技术，能够在三维空间构建分辨率达微米级的化学梯度与结构异质性，从而形成高活性蒸发界面，显著提升相变过程的动态稳定性。

基于此，来自千叶工业大学和密歇根大学的联合研究团队揭示了3D多孔超表面蒸发器的创新设计范式。前期，该团队曾通过烧结金属粉末构建了具有微尺度毛细网络的3D超表面蒸发芯体，实现蒸发效率的阶跃式提升。本次研究则是通过微纳3D打印技术再次构建了3D超表面蒸发芯体，并成功控制了孔隙间距的公差，为太阳能驱动蒸汽发生、工业余热回收等领域提供了创新性解决方案。这项研究以“3D-printed, ceramic porous metasurface wick: Hexagonal-prism unit-cell capillary evaporator ”为题发表于国际期刊《International Journal of Heat and Mass Transfer》上。

基于之前的研究，研究团队设计的蒸发芯体采用晶胞基元结构，在单层多孔基底上集成毛细动脉网络，形成兼具液体输运与热扩散的双重功能体系。该结构通过延伸蒸发界面与持续基底润湿的协同作用，即使在300 kW/m²级高热流密度工况下仍能避免干涸现象。多尺度架构设计使毛细力-粘性力动态平衡达到最优，蒸发速率提升达50%，热效率逼近理论极限值（η=0.98）。

而在本次研究实验中的六角形棱镜单胞蒸发器芯则是采用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术（microArch® S240，精度：10 μm）制造而成。该芯厚度为375 μm，单元胞的孔隙率ε≈ 0.70，最大毛细管压力约为400 Pa，渗透率约为10−9 m2。

图1. 3D打印六角形棱镜单胞蒸发器芯示意图。

研究团队在前期实验阶段采用石墨模具分层铜烧结工艺制备出具有毛细网络系统。然而，传统烧结工艺虽能实现结构成型，却受限于模具约束与材料单一性。相比之下，摩方微纳3D打印技术通过无模具成型与多材料兼容特性，可灵活制备氧化铝、氧化锆等高性能陶瓷及特种聚合物芯体结构，突破模具法在结构自由度与设计迭代效率上的双重瓶颈。

图2. (a)3D打印10mm × 20mm氧化铝六角形棱镜蒸发器的光学图像，基底为1mm；(b)扫描x射线显微镜（SXM）拍摄的器芯特写。

据前期实验结果显示，由铜烧结的集成毛细网络的芯体结构实现了高达50%的蒸发率提升，热效率接近100%。优化设计通过避免干涸并保持高液气界面面积，实现了稳定的薄膜蒸发。这种性能提升使这些结构在太阳能水蒸汽发生器、吸附式制冷机和被动冷却系统中具有广阔的应用前景。

本次实验中，研究团队进一步验证了微纳3D打印技术在制备热管理装置上的优势，且助力研究设计突破传统工艺限制，实现复杂微结构芯体的一体化成型，开发周期较传统方法大幅缩短。此外，摩方开源兼容的材料系统支持更多先进陶瓷等新材料和超材料的研究开发，为极端环境下的工业性材料设计开辟了可能性。

图3. (a)用于预测有效导热系数的热模拟所得的单元胞内截面温度分布的代表性快照⟨𝑘⟩和六角形棱镜蒸发器芯的特定电导𝐺∕dd；(b)用于预测的矩形域中的流线和速度分布渗透率𝐾。这两个快照都适用于𝑝𝑐= 375 Pa。

此项研究不仅推动了蒸发科学的理论突破，更揭示了精密制造技术在产学研融合中的关键作用。摩方微纳3D打印技术以超高打印精度、多种材料兼容性和智能化操作体系，成功推动热能利用技术从传统宏观工程向微结构精准调控的跨越升级，为全球能源体系转型提供了中国方案。

随着“双碳”目标深化，高效热能技术的研发需依托政策引导与产业链协同——从实验室原型到规模化生产，微纳3D打印的快速迭代能力将大幅缩短技术转化周期，未来，摩方也将持续深化跨领域协同攻关，助力我国在绿色制造领域占据国际竞争高地。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.127041