超短脉冲激光改性的表面纹理可在压铸铝合金中减少传热

为何保持电动车冷却很重要

对许多驾驶者来说，现今的电动车仍存在一个明显短板：续航里程常常让人感觉不足。虽然将责任全部归咎于电池很诱人，但实际上大量能量在车辆的机械部件中以热的形式悄然流失。本研究考察了一种不寻常的减少这类损失的方法——用超快激光在电驱齿轮箱的内金属表面雕刻，使热油更难将热量传递给金属。由此形成的微小、几乎不可见的表面图案，可能有助于让每千瓦时的能量发挥更久。

能量悄然流失的地方

即便是高效的纯电动车，也会浪费从电网取出的很大一部分能量。对于一个被广泛研究的车型，只有大约四分之三的输入能量真正到达车轮；剩余的能量在充电、电子设备、冷却系统和动力传动系统本身中流失。在动力传动系统内，齿轮和轴承浸泡在润滑油中，所有这些被压铸铝壳体包裹。车辆运行时，飞溅的油滴撞击壳体内壁并将热量传递到金属，然后这些热量泄向外部空气。作者将这种从油到铝的热通路视为一个可预防的损失，值得针对性减少，尤其是铝制壳体如今已成为许多电驱系统的标准。

借鉴莲叶的做法

自然界提供了控制液体与固体接触方式的线索：莲叶之所以能保持极其清洁和干燥，是因为其表面覆盖着多尺度的微小凸起。水滴坐落在这类微观地形之上，下面夹着空气囊，使它们容易滚落并带走污物。研究者将这一思路应用到电驱内部的油液上。首先用皮秒脉冲激光抛平自然粗糙的铝铸件表面，然后用更短的飞秒脉冲激光雕刻出精心设计的“分级纹理”，呈现沟槽与齿状结构。通过调节沟槽宽度与齿宽的比值，他们找到了能使水滴和油滴都显得更“高”、更易滑动的图案，表明接触面积和接触时间都得以减少。

塑造金属以排斥热油

为了评估这种纹理表面对油的抵抗力，团队比较了三种铝板：未处理的铸态金属、化学涂层的疏水表面，以及新的激光纹理表面。他们测量了传动油的铺展、滑动难易程度，以及表观接触角（滴状的“圆润”程度）的变化。在未处理的铝表面上，油强烈润湿金属。经激光纹理化的样品上，油滴的接触角几乎翻倍，且油滴部分停留在沟槽间被困住的空气缓冲上。该表面不仅表现出疏水性，还呈现出“疏油性”，即对油的润湿也具有抵抗力，且无需添加任何涂层。

逐滴观察热流动

研究的核心是一项定制实验：将微量高温传动油滴滴下到水平放置的铝试件上，同时监测它们的温度随时间的上升情况。在其他条件相同的情况下，光滑的未处理表面升温最多，化学处理的表面升温次之，而激光纹理化的表面升温最少。在油温为80 °C时，未处理铝吸收的能量约为464焦耳，而纹理化表面仅吸收约347焦耳。从工程角度看，有效传热系数降低了超过一半。计算与高速观察表明有两个主要原因：纹理内的被困空气起到绝缘作用，且油滴与金属接触的面积更小、停留时间更短，随后更快滑落。

这对未来电动车意味着什么

对于非专业读者，关键结论是：作者们找到了一种只用光就能将普通金属壁转变为一种内置隔热层的方法——无需油漆、泡沫或额外化学品。通过激光雕刻的纹理使油滴不易完全润湿金属并促使其快速移动，从而减少传递给壳体的热量。在实际电动车中，将此类纹理应用于齿轮箱及其他与油接触的组件，可能会削减动力传动系统的热损失并适度延长续航，同时在高温下保持耐久，并避免额外的绝热层。这是微米尺度上的小改动，却可能在日常驾驶层面带来显著益处。

引用: Goto, R., Yamaguchi, M. Ultrashort-pulse laser-modified surface texturing for heat transfer reduction in die-cast aluminum alloys. Sci Rep 16, 13823 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41605-0

关键词: 电动汽车效率, 传热减少, 激光表面刻纹, 疏油表面, 压铸铝外壳