随着电子科技和通信行业的快速发展,5G通讯和高功率密度电子器件等的散热问题更加突出,亟需发展高效低能耗的沸腾强化换热技术。同时,强化沸腾换热技术能有效降低冷却能耗,减少冷却用电和碳排放,对实现“碳达标”和“碳中和”目标具有重要意义。大量研究表明,得益于碳纳米材料的优异导热性、化学性能和机械强度,碳纳米材料涂层技术可有效增强表面的沸腾换热性能,是一种高效的强化沸腾相变换热技术,具有较强的工业应用潜力。沸腾自组装法步骤简单、成本低廉、易于大面积制备涂层,是理想的碳纳米材料涂层制备方法。因此,本文利用沸腾自组装法制备了能有效强化池沸腾换热性能的碳纳米材料涂层表面,系统研究了不同自组装碳纳米材料涂层表面的饱和池沸腾传热特性和汽泡动力学行为,获得了实验条件下的最佳沉积参数和池沸腾换热性能最佳的表面,并且分析了碳纳米材料涂层表面强化换热机理,建立了相应的临界热流密度（CHF）理论预测模型。本文先设计并搭建了可视化高热流密度实验平台,通过数值模拟发现,在实验器件耐受条件下,该实验平台可提供的最大加热热流达近1000 W·cm-2,可以满足各种微/纳尺度相变换热实验所需的加热热流。并且进一步通过光滑铜平面的可视化沸腾换热实验研究,验证了实验平台和实验方法的可靠性。基于可视化高热流密度实验平台,利用沸腾自组装法在铜衬底上成功制备了自组装氧化石墨烯（GO）纳米涂层表面。饱和池沸腾实验发现,该表面的CHF和最大换热系数（HTC）比原始光滑铜平面分别提高了 78%和41%,且CHF随过冷度增加线性增加,但HTC呈略微下降趋势。汽泡可视化观察发现,相比于光滑铜平面,GO纳米表面汽泡脱离直径减小,脱离频率和汽化核心数增加,汽泡合并缓慢。过冷沸腾时,GO纳米表面在中、高加热热流密度区产生了微汽泡喷射现象,微汽泡的数量和喷射频率随过冷度增加而增加。进一步系统探究了不同沉积参数下GO纳米表面的换热性能,得到了实验条件下的最佳沉积热流、沉积时间和沉积浓度分别为100 W·cm-2、2.5 h和1.6×10-4 wt.%,沸腾换热性能最佳的GO纳米表面的CHF和最大HTC分别达到了 261 W·cm-2和9.1 W·cm-2·K-1。重复沸腾实验发现,最佳GO纳米表面的HTC随沸腾次数变化不大,也没有出现脱落现象,表明该表面有较好的稳定性和耐久性。不同于GO,多壁碳纳米管（MWCNTs）特有的类纤维结构使其易自组装形成多孔网络涂层,有利于HTC的提高。因此,在前期实验基础上,利用沸腾自组装法制备了不同沉积参数下的自组装MWCNTs纳米涂层表面,得到了最佳沉积浓度为4.0×10-5 wt.%,最佳沉积时间在50 min左右。利用最佳沉积参数制备了沸腾换热性能最佳的MWCNTs纳米表面,其CHF和最大HTC分别达到了 218 W·cm-2和10.7 W·cm-2·K-1,比原始光滑铜平面分别提高了 87%和73%,且起沸点（ONB）对应的壁面过热度降低了 38%。可视化观察结果发现,与原始光滑铜平面相比,MWCNTs纳米表面的汽泡脱离直径减小,脱离频率增加,汽化核心密度增加了约1.5倍,且汽泡合并更缓慢。另外,20次重复沸腾实验显示,该表面具有较好的稳定性和耐久性。对比分析发现,相比于最佳GO纳米表面,最佳MWCNTs纳米表面的CHF降低了 17%,但在相近加热热流下HTC增加了～30%。说明GO纳米片沉积形成的高导热二维层状结构涂层更有利于表面CHF的提高,而MWCNTs沉积形成纳米多孔结构涂层能使表面的HTC得到更大增强。因此,进一步制备了自组装GO/MWCNTs复合涂层表面,实验发现,其CHF和最大HTC分别达到了 230 W·cm-2和12.4 W·cm-2·K-1。表明该复合表面集合了 GO和MWCNTs两种涂层的优点,能同时使CHF和HTC得到较大增加。在相同加热热流下,其HTC相比于最佳GO纳米表面和最佳MWCNTs纳米表面的增比分别达46%和40%。此外,重复沸腾实验显示GO/MWCNTs复合涂层表面具有较好的稳定性和耐久性。为了更好地理解GO纳米涂层和MWCNTs纳米多孔涂层强化沸腾换热机理,对两种涂层的表面特性进行了表征。结合汽泡可视化结果发现,GO纳米片沉积形成的二维层状结构涂层的高热导性、表面增加的润湿性和粗糙度,以及GO纳米片边缘部分折叠形成了微/纳尺度凸起结构,共同作用使表面沸腾换热性能得到了提高。而MWCNTs沉积形成的纳米多孔涂层有效增加了表面的汽化核心密度并诱发毛细芯吸作用,同时增加了表面的润湿性和粗糙度,共同促进了表面沸腾换热性能的增强。最后,通过综合考虑各涂层表面沸腾换热性能的影响因素,分别建立了自组装GO纳米表面和MWCNTs纳米表面CHF的理论预测模型。对比发现,所有GO纳米表面和MWCNTs纳米表面CHF的预测值与实验值误差分别在±13%和±8%以内,两种理论模型都能很好地预测CHF。本文分别对GO和MWCNTs涂层表面沸腾强化换热开展了逐步深入的研究,得到了实验条件下各自的最佳沉积参数和换热性能最佳的表面,并分别揭示了它们的强化沸腾换热机理,通过综合考虑各种影响因素,创新性地建立了两种表面的CHF理论预测模型。与实验值对比发现,两种模型都能较好预测CHF。本文工作为以更低能耗解决更高热流密度电子器件的散热问题提供了解决方案,并且为基于纳米涂层的高热流密度电子器件先进热管理系统的设计提供了理论依据。