微纳结构对硅基超疏水表面冷凝特性的影响

目的研究微米结构中心距对微纳二级结构超疏水硅表面热交换效率的影响。方法首先采用湿法腐蚀在硅表面构建中心距分别为22、24、26、28、30μm的微米四棱台结构,然后采用溶胶-凝胶法在表面涂覆疏水的纳米二氧化硅颗粒,获得微纳二级结构超疏水表面。通过表面接触角测量仪分析表面的湿润性,通过扫描电镜观察表面的微观形貌特征,使用光学显微镜观察冷凝小液滴自迁移现象,使用电子天平称量表面的冷凝集水质量。结果当纳米结构相同时,随着微米结构中心距的增加,液滴静态接触角减小,冷凝小液滴的自迁移频率变慢,相同时间段内,平均集水效率下降。当相对湿度大于90%时,会出现表面“淹没”现象。微纳二级结构超疏水硅表面(微米结构间距22μm)的集水效率是单独微米结构硅表面的1.38倍、单独纳米结构疏水表面的1.27倍、疏水硅光片表面的1.75倍、光二氧化硅亲水表面的3.6倍。结论当纳米结构相同时,在一定范围内适当减小微米结构的中心距,有助于增强微纳二级结构超疏水硅表面热交换效率。

超疏水表面上冷凝液滴发生弹跳的机制与条件分析

使用液滴合并前后的体积和表面自由能守恒作为两个限制条件,确定了合并液滴的初始形状,即为偏离平衡态的亚稳态液滴,具有缩小其底半径而向平衡态液滴转变的推动力.进而分析了液滴变形过程中的推动力和三相线(TPCL)上的滞后阻力,建立了液滴变形的动态方程并进行了差分求解.如果液滴能够变形至底半径为0mm的状态,则根据该状态下液滴重心上移的速度确定液滴的弹跳高度.不同表面上冷凝液滴合并后的变形行为的计算结果表明,光滑表面上的液滴合并后,液滴只能发生有限的变形,一般都在达到平衡态之前就停止了变形,因此冷凝液滴不会发生弹跳;粗糙表面上的Wenzel态液滴的三相线上的滞后阻力更大,因而液滴更难以变形和弹跳;具有微纳二级结构表面上只润湿微米结构,但不润湿纳米结构的部分Wenzel态液滴能够变形至Cassie态,但没有明显的弹跳;只有在纳米或微纳二级结构表面上的较小Cassie态液滴合并后,液滴易于变形至底半径为0mm的状态并发生弹跳.因此,Cassie态合并液滴处于亚稳态,并且其三相线上的移动阻力很小,是导致冷凝液滴弹跳的关键因素.

复合超疏水表面制备及其上液滴运动特性研究

采用光刻法制备出微米尺度的硅微方柱结构,并利用化学气相沉积的方法在其上可控地生长定向碳纳米管,由此制备出具有可控比例微纳二级结构的超疏水表面.通过扫描电子显微镜(SEM)测量和接触角、滚动角测试的方法对具有不同微纳结构比例及尺寸的表面形貌和性能进行探查和测试,对制备过程中参数的选择做出了优化处理.得到了表面性质均匀、稳定的二级结构超疏水表面.通过粒子图像测速(PIV)的方法测量在结构表面滚动液滴的内部流动形态,并与一级结构表面进行对比.分析并总结了该文中表面的疏水机理及表面微纳结构比例、形态、尺寸等因素对疏水性能的影响.

喷砂-阳极氧化法构建分形超疏水Ti6Al4V表面及性能研究

主要采用喷砂-阳极氧化法在Ti6Al4V钛合金表面构建微纳二级复合结构,使用低表面能物质FAS-17(十七氟硅烷)修饰后可获得超疏水表面。结果显示,喷砂形成的微米级凸台与阳极氧化形成的纳米管复合结构表面的液滴接触角达到了159.8°。在空气中放置30d后,仍然具有优异的超疏水性能,并具有一定的耐盐水性能。