本發(fā)明涉及一種改變高溫固體表面液滴浸潤(rùn)性的方法，可以有效提高傳熱效率、強(qiáng)化傳熱技術(shù)，節(jié)約能源利用率。

背景技術(shù)：

液滴撞擊高溫固體表面的過程與眾多工業(yè)過程緊密相關(guān)，存在于內(nèi)燃機(jī)燃燒、噴淋冷卻、噴墨打印、等離子體濺射等過程中。撞擊液滴與固體壁面的作用機(jī)制直接決定了上述過程的傳熱實(shí)施效果。因此強(qiáng)化固液間的傳熱效率，對(duì)于適應(yīng)如今經(jīng)濟(jì)發(fā)展中節(jié)能環(huán)保的新方向有著重要的積極意義。

我們知道，在固液傳熱過程中，冷卻液通常在高溫固體表面鋪展。固液間傳熱效率較快，會(huì)發(fā)生氣液相的轉(zhuǎn)變從而帶走高溫固體表面的熱量，從而實(shí)現(xiàn)高溫設(shè)備的快速冷卻。若繼續(xù)升高溫度到達(dá)過渡沸騰階段時(shí)，固體和液體間就達(dá)到了最大熱通量。若溫度進(jìn)一步升高，則由于氣泡生長(zhǎng)速度過快，在逃離固體表面前即會(huì)相互合并連接，使傳熱受到限制，最終在固體表面形成連續(xù)的蒸氣膜。蒸汽膜將液體與高溫表面隔離開來，液滴會(huì)懸浮于該蒸氣膜之上。此時(shí)，液滴與固體表面完全不浸潤(rùn)，發(fā)生浸潤(rùn)狀態(tài)的改變(液滴的去浸潤(rùn))，這種現(xiàn)象被稱為leidenfrost效應(yīng)，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度稱為leidenfrost溫度，也是液滴的浸潤(rùn)轉(zhuǎn)變溫度。由于該溫度下蒸汽膜的導(dǎo)熱性很差，液滴的蒸發(fā)過程就會(huì)很慢，傳熱效率也會(huì)降低，最終導(dǎo)致固體表面的熱量不能被及時(shí)帶走，高溫設(shè)備可能會(huì)因過熱而被燒壞。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，為了提高傳熱過程中的傳熱效率，我們就要避免膜沸騰的前提下，盡量提高固液傳熱效率。

然而沸騰傳熱的本質(zhì)，是當(dāng)固體表面溫度高于水的沸點(diǎn)時(shí)，固體表面與水之間的一系列浸潤(rùn)與去浸潤(rùn)行為，因此，固體表面的化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)，必然極大的影響著其固液傳熱性能。而至今，卻尚未有人系統(tǒng)全面的提出高溫固體表面結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成對(duì)其高溫下浸潤(rùn)行為的影響。

此外，傳熱介質(zhì)對(duì)液滴高溫固體表面的行為起著很重要的作用。沉積的傳熱介質(zhì)可以改變固體表面的浸潤(rùn)性，甚至是粗糙度，影響液滴在高溫固體表面的浸潤(rùn)轉(zhuǎn)變溫度。

本發(fā)明提供一種改變高溫固體表面液滴浸潤(rùn)性的方法，通過協(xié)調(diào)界面的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成以及改變工作液滴的物理化學(xué)性質(zhì)，可以有效實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱、減阻等，提高能源利用率，節(jié)約資源。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明為解決現(xiàn)有的高負(fù)荷高效率的傳熱需求，本發(fā)明提供一種改變高溫固體表面液滴浸潤(rùn)性的方法，通過協(xié)調(diào)固體界面的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成以及改變工作液滴的物理化學(xué)性質(zhì)，方法相對(duì)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，具有很好的可實(shí)施性。

本發(fā)明提供的調(diào)控高溫固體表面液滴浸潤(rùn)性轉(zhuǎn)變的方法，具體包括：

第一步，工作液滴的選擇；

第二步，硅片的清洗；

第三步，表面結(jié)構(gòu)的制備；

第四步，疏水表面的構(gòu)建。

其中，所述第一步可以選擇去離子水、表面活性劑十二烷基磺酸鈉sds的水溶液、sio2納米流體以及氧化鐵膠體等作為工作液滴。

其中，所述第二步進(jìn)一步具體為將光滑硅片(p型，晶向100)和具有微米結(jié)構(gòu)的硅片(利用掩膜版北大微納加工實(shí)驗(yàn)室利用掩膜版刻蝕p性、晶向100光滑硅得到)分別依次浸入丙酮、乙醇中超聲15min，用水沖后，然后浸入98％硫酸與雙氧水體積比為3：1的溶液中，在80℃下加熱30min，取出用大量水沖洗，此時(shí)硅片為親水。

其中，所述第三步中可以構(gòu)建納米線陣列表面結(jié)構(gòu)或微納米復(fù)合陣列表面結(jié)構(gòu)的硅片。

其中，第三步進(jìn)一步具體為：

制備硅納米線陣列：配置hf和硝酸銀的混合反應(yīng)液，倒入到聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，加入第二步清洗的光滑硅，加蓋置于50℃烘箱中加熱反應(yīng)20min。因聚四氟反應(yīng)釜釜壁較厚，為確保反應(yīng)效果，在加入硅片前，應(yīng)提前將反應(yīng)液放入50℃烘箱中預(yù)熱10min。反應(yīng)20min后取出硅片，用硝酸浸泡15s左右以去除樣品表面覆蓋的灰色的銀的膜，然后用大量水沖洗，高純氮?dú)獯蹈?

制備微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)：配置hf和硝酸銀的混合反應(yīng)液，倒入到聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，加入第二步清洗的硅微米柱片，加蓋置于50℃烘箱中加熱反應(yīng)20min。因聚四氟反應(yīng)釜釜壁較厚，為確保反應(yīng)效果，在加入硅片前，應(yīng)提前將反應(yīng)液放入50℃烘箱中預(yù)熱10min。反應(yīng)時(shí)間控制氫為10min，否則腐蝕時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)將微米柱給刻蝕掉。取出硅片，用硝酸浸泡15s左右以去除樣品表面覆蓋的灰色的銀的膜，然后用大量水沖洗，高純氮?dú)獯蹈伞?/p>

其中，混合反應(yīng)液中hf的濃度為5mol/l，硝酸銀的濃度為0.02mol/l，混合反應(yīng)液的具體制備方法為：稱取硝酸銀0.1699g放入塑料燒杯中，用注射器吸取10ml氫氟酸，再加水配成50ml混合溶液。

其中，所述第四步可以通過氣相沉積來制備疏水表面。

第四步進(jìn)一步具體為將第二步清洗干凈的硅片以及第三步制備的具有表面結(jié)構(gòu)的硅片，用高純氮?dú)獯蹈桑⒖虒⒐杵湃胝婵崭稍锲髦?，滴入一滴氟硅烷，抽真空，保持真空條件2h，羥基化的硅片在氟硅烷蒸汽氛圍下在表面形成氟硅烷的單分子層，從而形成疏水表面。當(dāng)制備超疏水表面時(shí)，抽真空并保持的時(shí)間為12h。

本發(fā)明將上述工作液滴(第一步選擇)以及制備的親水基底(第二、三步制得)、疏水基底(第四步制得)應(yīng)用于改變高溫固體表面液滴浸潤(rùn)性的技術(shù)上。

第一，將不同濃度的工作液滴從固定高度滴落在高溫親水表面和疏水表面。

第二，利用高速攝像機(jī)記錄液滴在高溫條件下浸潤(rùn)與去浸潤(rùn)過程。

第三，比較上述各液滴的浸潤(rùn)行為轉(zhuǎn)變過程。

本發(fā)明的有益效果:

本發(fā)明提供一種調(diào)控高溫固體表面液滴浸潤(rùn)性的方法，有效提高傳熱過程中的傳熱效率，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱，進(jìn)而節(jié)約能源；且制作方法簡(jiǎn)單實(shí)用，制作成本相對(duì)經(jīng)濟(jì)，不會(huì)增加生產(chǎn)成本。

附圖說明

圖1實(shí)驗(yàn)裝置圖；

圖2電鏡照片：(a)光滑硅；(b)納米線結(jié)構(gòu)；

圖3光滑硅和納米線結(jié)構(gòu)在氟硅烷修飾前后的水的接觸角；

圖4表面活性劑sds液滴在親水表面的浸潤(rùn)轉(zhuǎn)變過程；

圖5表面活性劑sds液滴在疏水表面的浸潤(rùn)轉(zhuǎn)變溫度與溶液濃度的關(guān)系；

圖6sio2納米流體濃度與leidenfrost溫度間的關(guān)系曲線:(a)親水硅表面,(b)親水硅表面；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明做各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣屬于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。

本發(fā)明提供一種改變高溫固體表面液滴浸潤(rùn)性的方法，有效提高固液間的傳熱效率，強(qiáng)化傳熱技術(shù)。所述基底采用的是光滑硅片以及掩膜版刻蝕光滑硅片得到的硅微米柱基底。

具體方法包括：

第一步，工作液滴的選擇；

第二步，硅片的清洗；

第三步，表面結(jié)構(gòu)的制備；

第四步，疏水表面的構(gòu)建。

其中，所述第一步可以選擇去離子水、表面活性劑十二烷基磺酸鈉sds的水溶液、sio2納米流體以及氧化鐵膠體等作為工作液滴。

其中，所述第二步進(jìn)一步具體為將光滑硅片(p型，晶向100)和具有微米結(jié)構(gòu)的硅片(利用掩膜版北大微納加工實(shí)驗(yàn)室利用掩膜版刻蝕p性、晶向100光滑硅得到)分別依次浸入丙酮、乙醇中超聲15min，用水沖后，然后浸入98％硫酸與雙氧水體積比為3：1的溶液中，在80℃下加熱30min，取出用大量水沖洗，此時(shí)硅片為親水。

其中，所述第三步中可以構(gòu)建納米線陣列表面結(jié)構(gòu)或微納米復(fù)合陣列表面結(jié)構(gòu)的硅片。

其中，第三步進(jìn)一步具體為：

制備硅納米線陣列：配置hf和硝酸銀的混合反應(yīng)液，倒入到聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，加入第二步清洗的光滑硅，加蓋置于50℃烘箱中加熱反應(yīng)20min。因聚四氟反應(yīng)釜釜壁較厚，為確保反應(yīng)效果，在加入硅片前，應(yīng)提前將反應(yīng)液放入50℃烘箱中預(yù)熱10min。反應(yīng)20min后取出硅片，用硝酸浸泡15s左右以去除樣品表面覆蓋的灰色的銀的膜，然后用大量水沖洗，高純氮?dú)獯蹈?

制備微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)：配置hf和硝酸銀的混合反應(yīng)液，倒入到聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，加入第二步清洗的硅微米柱片，加蓋置于50℃烘箱中加熱反應(yīng)20min。因聚四氟反應(yīng)釜釜壁較厚，為確保反應(yīng)效果，在加入硅片前，應(yīng)提前將反應(yīng)液放入50℃烘箱中預(yù)熱10min。反應(yīng)時(shí)間控制氫為10min，否則腐蝕時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)將微米柱給刻蝕掉。取出硅片，用硝酸浸泡15s左右以去除樣品表面覆蓋的灰色的銀的膜，然后用大量水沖洗，高純氮?dú)獯蹈伞?/p>

其中，混合反應(yīng)液中hf的濃度為5mol/l，硝酸銀的濃度為0.02mol/l，混合反應(yīng)液的具體制備方法為：稱取硝酸銀0.1699g放入塑料燒杯中，用注射器吸取10ml氫氟酸，再加水配成50ml混合溶液。

其中，所述第四步可以通過氣相沉積來制備疏水表面。

第四步進(jìn)一步具體為將第二步清洗干凈的硅片以及第三步制備的具有表面結(jié)構(gòu)的硅片，用高純氮?dú)獯蹈?，立刻將硅片放入真空干燥器中，滴入一滴氟硅烷，抽真空，保持真空條件2h，羥基化的硅片在氟硅烷蒸汽氛圍下在表面形成氟硅烷的單分子層，從而形成疏水表面。當(dāng)制備超疏水表面時(shí)，抽真空并保持的時(shí)間為12h。

本發(fā)明將上述工作液滴(第一步選擇)以及制備的親水基底(第二、三步制得)、疏水基底(第四步制得)應(yīng)用于改變高溫固體表面液滴浸潤(rùn)性的技術(shù)上。

第一，將不同濃度的工作液滴從固定高度滴落在高溫親水表面和疏水表面。

第二，利用攝像機(jī)記錄液滴在高溫條件下的浸潤(rùn)與去浸潤(rùn)過程

第三，比較上述各液滴的浸潤(rùn)行為轉(zhuǎn)變過程。

本發(fā)明改變高溫固體表面液滴浸潤(rùn)性的原理主要是：

固體表面的化學(xué)組成和粗糙度能顯著影響液滴的浸潤(rùn)轉(zhuǎn)變過程。當(dāng)液滴下落到親水表面時(shí)，粗糙結(jié)構(gòu)有助于增大液滴的最大接觸面積、最大蒸發(fā)面積和浸潤(rùn)轉(zhuǎn)變溫度。在氟硅烷修飾的粗糙結(jié)構(gòu)，室溫下，液滴不能完全浸潤(rùn)粗糙表面，會(huì)在固體表面和液滴之間形成一層空氣墊，有助于降低浸潤(rùn)轉(zhuǎn)變溫度。傳熱介質(zhì)會(huì)改變改變了固體表面的浸潤(rùn)性，使固體表面變得更加親水時(shí)，液體與固體的有效接觸面積增大，可以促進(jìn)其沸騰，從而加快了固液間的傳熱過程。另外沉積的傳熱介質(zhì)顆粒增加了固體表面的粗糙度，增加了液體汽化的核心，加速了液體的沸騰。

本發(fā)明提供一種改變高溫固體表面液滴的浸潤(rùn)性的方法，其采用上述方法制備的具有微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的固體界面以及改性的工作液滴。

本發(fā)明還提供了上述界面及工作液滴應(yīng)用于改變高溫固體表面液滴浸潤(rùn)行為的過程。

以下采用實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式，借此對(duì)本發(fā)明如何應(yīng)用技術(shù)手段來解決技術(shù)問題，并達(dá)成技術(shù)效果的實(shí)現(xiàn)過程能充分理解并據(jù)以實(shí)施。

實(shí)施例1：

本實(shí)施例中，工作液滴采用表面活性劑十二烷基磺酸鈉sds溶液，基底材料為光滑硅片。

第一步，工作液滴的選擇；

所述第一步選擇表面活性劑十二烷基磺酸鈉sds溶液作為工作液滴，配置0mol/l、1.0×10^-3mol/l、4.0×10^-3mol/l、9.0×10^-3mol/l、1.0×10-²mol/l的十二烷基磺酸鈉的水溶液。

第二步，硅片的清洗；

所述第二步進(jìn)一步具體為將光滑硅片(p型，晶向100)分別依次浸入丙酮、乙醇中超聲15min，用水沖后，然后浸入98％硫酸與雙氧水體積比為3：1的溶液中，在80℃下加熱30min，取出用大量水沖洗，此時(shí)硅片為親水。

第三步，疏水表面的構(gòu)建。第三步進(jìn)一步具體為將第二步清洗干凈的硅片以及第二步制備的具有表面結(jié)構(gòu)的硅片，用高純氮?dú)獯蹈?，立刻將硅片放入真空干燥器中，滴入一滴氟硅烷，抽真空，保持真空條件2h，羥基化的硅片在氟硅烷蒸汽氛圍下在表面形成氟硅烷的單分子層，從而形成疏水表面。

如圖1所示，搭建實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)開始前需要先調(diào)整光源、高速攝像機(jī)、基底的位置，保證三者在同一直線上，同時(shí)在攝像機(jī)控制顯示器上所顯示的基底側(cè)面要清楚。

調(diào)整好光路后，調(diào)節(jié)好光路后，利用熱臺(tái)對(duì)基底進(jìn)行加熱，并用熱電偶測(cè)試基底的溫度，待溫度升高到指定溫度后，利用注射泵進(jìn)行液滴的注射，注射速度為0.01ml/min，液滴的下落高度為3.5mm。自液滴開始下落時(shí)，采用olympusi-speed3攝像機(jī)以1000frame/s的速度來記錄液滴的整個(gè)下落過程，其中實(shí)驗(yàn)的溫度范圍為50～300℃。

其中光滑硅的表面形貌如圖2(a)所示，光滑硅在經(jīng)氟硅烷修飾前后的水的接觸角如圖3所示。

從圖4和圖5可以觀察到，當(dāng)液滴下落到親水的光滑硅表面后，表面活性劑可以改變基底的浸潤(rùn)性，因而可以降低浸潤(rùn)轉(zhuǎn)變的溫度。隨著加入的表面活性劑的濃度的增大，液滴開始彈跳的溫度逐漸降低；當(dāng)達(dá)到臨界膠束濃度時(shí)，即使再增加表面活性劑的濃度，液滴開始彈跳的溫度將保持不變。而疏水表面有助于降低浸潤(rùn)轉(zhuǎn)變溫度。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例中，工作液滴采用sio2納米流體，基底材料為硅納米線結(jié)構(gòu)。

第一步，工作液滴的選擇；

所述第一步選擇sio2納米流體作為工作液滴。配置0g/l，0.05g/l，0.1g/l，0.2g/l，0.3g/l的納米流體，然而將其分別置于100ml的容量瓶中保存?zhèn)溆?。由于納米粒子存在小尺寸效應(yīng)，容易發(fā)生團(tuán)聚，因此在配制過程要在超聲機(jī)中進(jìn)行超聲分散，超聲時(shí)間為10h。待下次使用前也要先在超聲機(jī)中進(jìn)行超聲分散，避免出現(xiàn)納米粒子的團(tuán)聚，影響實(shí)驗(yàn)效果

第二步，硅片的清洗；

將光滑硅片(p型，晶向100)分別依次浸入丙酮、乙醇中超聲15min，用水沖后，然后浸入98％硫酸與雙氧水體積比為3：1的溶液中，在80℃下加熱30min，取出用大量水沖洗，此時(shí)硅片為親水。

第三步，表面結(jié)構(gòu)的制備；

其中，所述第三步中可以構(gòu)建納米線陣列表面結(jié)構(gòu)。第三步進(jìn)一步具體為：

制備硅納米線陣列：配置hf和硝酸銀的混合反應(yīng)液，倒入到聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，加入第一步清洗的光滑硅，加蓋置于50℃烘箱中加熱反應(yīng)20min。因聚四氟反應(yīng)釜釜壁較厚，為確保反應(yīng)效果，在加入硅片前，應(yīng)提前將反應(yīng)液放入50℃烘箱中預(yù)熱10min。反應(yīng)20min后取出硅片，用硝酸浸泡15s左右以去除樣品表面覆蓋的灰色的銀的膜，然后用大量水沖洗，高純氮?dú)獯蹈伞?/p>

第四步，疏水表面的構(gòu)建。

第三步制備的具有納米結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的硅片，用高純氮?dú)獯蹈?，立刻將硅片放入真空干燥器中，滴入一滴氟硅烷，抽真空，保持真空條件2h，羥基化的硅片在氟硅烷蒸汽氛圍下在表面形成氟硅烷的單分子層，從而形成疏水表面。

如圖1所示，搭建實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)開始前需要先調(diào)整光源、高速攝像機(jī)、基底的位置，保證三者在同一直線上，同時(shí)在攝像機(jī)控制顯示器上所顯示的基底側(cè)面要清楚。

調(diào)整好光路后，調(diào)節(jié)好光路后，利用熱臺(tái)對(duì)基底進(jìn)行加熱，并用熱電偶測(cè)試基底的溫度，待溫度升高到指定溫度后，利用注射泵進(jìn)行液滴的注射，注射速度為0.01ml/min，液滴的下落高度為3.5mm。自液滴開始下落時(shí)，采用olympusi-speed3攝像機(jī)以1000frame/s的速度來記錄液滴的整個(gè)下落過程。

可見，其中制備的納米結(jié)構(gòu)的表面形貌如圖2(b)所示，納米結(jié)構(gòu)在經(jīng)氟硅烷修飾前后的接觸角如圖3所示。

從圖6sio2納米流體濃度與leidenfrost溫度間的關(guān)系曲線可以觀察到，在親水硅納米線結(jié)構(gòu)基底上，隨著納米流體濃度的增加，液滴的leidenfrost溫度都是在不斷升高的。這是因?yàn)楫?dāng)納米流體液滴下落到高溫表面后，納米粒子會(huì)沉積在固體表面，從而改變了固體表面的粗糙度和浸潤(rùn)性，而且沉積的納米粒子會(huì)成為液體汽化的核心，加速了液體的沸騰，促進(jìn)了固液間的傳熱，使得液滴的浸潤(rùn)轉(zhuǎn)變溫度提高。在疏水的硅納米線表面，液滴的leidenfrost溫度都是隨著納米粒子濃度的增大而減小的。由于表面的納米結(jié)構(gòu)能夠?yàn)闅馀莩珊颂峁└嗟奈稽c(diǎn)，因此，低溫下就可以形成較厚的蒸氣層，進(jìn)而就會(huì)阻止液滴在高溫表面的擴(kuò)展。

所有上述的首要實(shí)施這一知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并沒有設(shè)定限制其他形式的實(shí)施這種新產(chǎn)品和/或新方法。本領(lǐng)域技術(shù)人員將利用這一重要信息，上述內(nèi)容修改，以實(shí)現(xiàn)類似的執(zhí)行情況。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非是對(duì)本發(fā)明作其它形式的限制，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更或改型為等同變化的等效實(shí)施例。但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與改型，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。