双疏水表面润湿和传热动力学研究

为实现润湿图案化的超疏水表面在航空电子设备散热中的应用,本文对液滴撞击双疏水表面(具有疏水性图案的超疏水基质)的润湿行为和传热特性进行了分析.通过使用高速相机和红外相机,我们获取了液滴铺展和回退阶段的动力学以及表面温度和热流量的相应空间分布.本文研究了液滴撞击超疏水、疏水和双疏水表面上的动态润湿和局部传热的差异.此外,本文还分析了表面温度和撞击高度对液滴撞击过程的影响.结果表明,所有表面在铺展阶段都具有相同的润湿特性和相似的传热行为.表面温度变化并不能对铺展阶段表面润湿特性产生较大的影响,液滴铺展时间与表面温度和撞击高度无关.在回退阶段,表面润湿特性的差异使得三个表面之间的传热特性明显不同.双疏水表面特殊润湿特性使得回退阶段液膜的接触线速度存在跳变现象,形成了许多小液滴,增加了接触面积,同时又兼具了超疏水表面的回弹特性.     

含有机溶剂的水滴在不同固体壁面润湿性的分子动力学

采用分子动力学方法对液滴在固体壁面上的润湿行为进行模拟计算,分析了不同含量溶剂的水滴在硅表面和碳表面的润湿行为,以及液滴在硅表面和碳表面的张力和两者之间相互作用能。结果表明:随着液滴中有机溶剂质量分数的增大,液体的表面张力随之减小,液滴与固体壁面之间的相互作用能增加,接触角随之减小;改变固体表面材料也可改变液滴与固体壁面之间的作用能,亲水表面上液滴与固体壁面之间的相互作用能较大,固体表面对液滴的吸引力较强,使得液滴在表面上的接触角减小,液滴在固体表面的润湿性能液滴增强。温度升高导致表面张力减小,但表面张力变化较小,因此接触角几乎不变。     

动态喷墨液滴两相流模拟（英文）

采用数值模拟方法研究了在平坦固体表面润湿时喷墨液滴的产生过程,以确定出发生液滴的关键.在考虑了表面张力和壁粘连的基础上,利用两相流之流体体积方法(VOF)建立了一个计算流体动力学模型来模拟湿平坦的固体表面上液滴过程.结果表明:基于VOF模型能够模拟润湿固体表面上液滴产生的动态,能够反映动态液滴与润湿固体表面间的相互作用和主要特征.这一模拟提高了对流体流动的认识,可以为一个特定的喷墨应用预测优化设计.     

高压喷射雾化液滴的二次破碎机理

采用射流界面不稳定扰动波雾化分裂理论,分析了单液滴在空气中以极高的速度运动过程中,由于液滴所受内外作用力的不平衡边界条件所产生的表面扰动;建立了液滴二次破碎色散方程,给出了单液滴在扰动波作用下发生二次破碎的最快增长率和相应的最不稳定波长,以及破碎时间和稳定液滴直径;分析了液体粘性、液滴速度对高速运动液滴不稳定性的影响,对液滴雾化机理进行了理论探讨.仿真表明:由作用于高速运动液滴表面的不平衡力,使得液滴界面产生变形加速度,这是导致液滴表面不稳定而进一步分裂的内在动因;粘性对扰动波发展有抑制作用,气液界面运动加速度是控制液滴破碎的重要因素.     

水滴撞击固体表面实验研究

为了研究水滴撞击固体表面的影响因素,利用高速摄影仪记录了水滴撞击不同固体表面的形态变化过程,记录速度为2000f/s.实验是在常温大气环境中进行的,水滴的初始直径固定在(1.8±0.05)mm.对不同材料和不同表面粗糙度的固体表面以及不同撞击角度进行了实验观察,并采用图像处理技术获得不同条件对液滴撞击固体表面行为的影响.实验结果表明:不同固体表面、不同表面粗糙度和撞击角度对液滴撞击固体表面后的润湿行为有非常显著的影响.随着We由50增大到300,液滴撞击在非润湿性表面上会出现部分反弹、反弹甚至飞溅现象;相同固体表面的表面粗糙度增大使撞击过程的接触角变小.     

动态喷墨液滴两相流模拟

采用数值模拟方法研究了在平坦固体表面润湿时喷墨液滴的产生过程．以确定出发生液滴的关键．在考虑了表面张力和壁粘连的基础上．利用两相流之流体体积方法（VOF）建立了一个计算流体动力学模型采模拟湿平坦的固体表面上液滴过程．结果表明：基于VOF模型能够模拟润湿固体表面上液滴产生的动态,能够反映动态液滴与润湿固体表面间的相互作用和主要特征．这一模拟提高了对流体流动的认识．可以为一个特定的喷墨应用预测优化设计．     

润湿模式对翅片表面结霜液滴生长的影响

为揭示翅片表面微结构在不同润湿模式下对结霜初期凝结液滴生长的影响,建立了光滑、Wenzel及Cassie润湿模式下翅片表面结霜液滴生长的热阻分析模型及生长速率模型,获得了表面接触角、润湿模式、表面微结构几何尺寸等因素对结霜液滴生长速率的影响规律.结果 表明:相比光滑和Wenzel翅片,Cassie翅片表面的传热热阻最大...     

正戊醇溶液液滴蒸发特性研究

为了研究正戊醇溶液液滴的蒸发特性,采用可视化实验研究不同质量分数的正戊醇溶液液滴在不同加热功率平面上的蒸发行为。研究结果表明：正戊醇溶液液滴在加热表面的蒸发行为受自身组分及基底加热功率影响,增大正戊醇质量分数,润湿直径变大,接触角变小,润湿能力提高;液滴的润湿直径变化可分为2个阶段,在第一阶段保持恒定值,在第二阶段逐渐减小至零。在0.5 W和1.0 W加热功率下,质量分数为1.5%的正戊醇溶液液滴保持恒润湿直径的时长占蒸发总时长的比例分别为0.346和0.368,接触线滑移能力显著增强;正戊醇溶液液滴的蒸发模式包括恒润湿直径模式和混合模式,以恒润湿直径模式为主,在蒸发后期出现接触角与润湿直径同时减小的混合模式;随着正戊醇质量分数增大,保持恒润湿直径模式的时间所占比例减小,液滴三相接触线更易迁移。     

匀强电场下分散相液滴的聚并

为了探究运行参数对分散相液滴的运动、聚并过程的影响,采用VOF(volume of fluid)方法捕捉分散相与连续相的流体间界面,利用漏电介质模型模拟均匀静电场,研究了电场强度、液滴粒径、液滴表面间距和液滴相对位置(液滴中心连线与电场强度方向夹角)对处于均匀电场中离散相多液滴聚并行为的影响,通过理论分析了液滴聚并过程影响因素,并与数值计算结论进行了对比.结果表明:分散相液滴聚并效率与电场强度、液滴粒径比、液滴表面间距以及液滴的相对位置有关;随着电场强度的增加,液滴的聚并效率显著增强;随着液滴表面间距以及液滴相对角度的增大,聚并效率有所降低;液滴粒径比对聚并效率亦产生影响,当液滴粒径差距较大时,液滴的聚并效率有所降低;电场强度对聚并过程的影响较为复杂,当外加电场强度持续增大时,液滴难以发生聚并,液滴被拉长后产生破碎或者弹开现象,存在阻碍液滴聚并的临界场强.     

粗糙表面液滴表观形态研究

液滴在粗糙表面的表观形态及影响其润湿性转变的因素是十分复杂的．一般来说,液滴在表面的接触形态是其表面润湿特性的直接反映．近来,通过对蒸汽凝结条件下超疏水表面液滴形态的研究,进一步加深了人们对粗糙表面润湿特性的理解．人们通过对不同条件下微结构粗糙表面润湿特性的研究,证实了除Cassie和Wenzel模型外,尚有第3类液滴表观状态的存在．我们对实验数据分析发现,粗糙表面的润湿性可以由液滴在投影面上与固,液／气三相接触的面积比来衡量,提出了一种新的液滴表观接触角的通用计算模型,并对比文献数据,证实了其对表观接触角的预测．     

接触角测试的量高法的适用范围

量高法是接触角测试的一种简便的测试方法,在工程和研究中得到广泛应用。该方法基于液滴的球形假设,决定其仅有有限的适用范围。通过数值模拟的方法研究量高法所引起的接触角偏差,从而考察量高法的适用范围并给出接触角修正的方法。研究发现:采用量高法计算的接触角与真实接触角有很大的偏差,这种偏差在超疏水表面上的接触角测量中尤为明显,可达20°;偏差范围决定于液滴的性质、表面的润湿性能和液滴的体积,液体表面张力小、接触角大和液滴体积大将导致大的偏差。在超疏水或超疏油表面研究中,为精确表征表面的润湿性能,需要对量高法进行偏差修正,提出了一种用于偏差修正的方法,通过该方法可精确确定出真实接触角。     

基于液滴局部轮廓的接触角测量方法

为了实现超疏表面上液滴的接触角测量,提出了基于液滴局部轮廓的接触角测量方法,通过超疏水表面的接触角测量实验对所提出的测量方法进行了验证。结果表明:基于液滴局部轮廓的接触角测量方法能有效稳定地测量出超疏水表面上的液滴接触角值;实施提出的接触角测量方法时需要测量点均布在液滴高度的2/5范围内的液滴轮廓上;基于液滴局部轮廓的接触角测量方法中接触点的选择误差对接触角测量结果的影响是可控的。可见基于液滴局部轮廓的接触角测量方法可用于表征表面的润湿性能。     

基于 NiTi 温敏形状记忆纳米结构调控的润湿性研究

NiTi 合金是常见的形状记忆合金,有着良好的形状记忆效应、超弹性、耐腐蚀性和生物相容性,在生物医疗、 航空航天和微机电等领域有着广泛的应用。 目的 研究 NiTi 合金表面不同纳米级结构的润湿性能,改善 NiTi 合金 在工作环境下的磨损情况,提高 NiTi 合金的使用寿命。 方法 使用分子动力学方法模拟周期性边界条件下 NiTi 合 金的形状记忆效应,研究在不同温度下 NiTi 合金原子的微观结构演化;同时基于 NiTi 合金温度响应下不同的微观 结构,建立液滴静态接触角仿真,研究 NiTi 合金表面在不同微观结构下的润湿性能。 结果 发现 NiTi 合金在不同温 度响应下发生相变,从而使 NiTi 合金的表面原子排列发生改变,展示了温度诱发 NiTi 合金的相变和逆相变行为以 及在原子尺度下的微观结构演化,再以不同温度响应下发生相变和逆相变的 NiTi 合金表面作为基底,发现其表面 的润湿性也发生了改变和恢复。 结论 NiTi 合金随温度响应发生相变,微观结构发生改变,其表面的润湿性能也发 生改变;而且 NiTi 合金随温度逆相变,微观结构恢复到初始状态,其表面润湿性也能随之恢复到初始状态;NiTi 合 金在相变过程中的奥氏体和马氏体含量会影响 NiTi 合金表面润湿性能,因此能够通过温度进行 NiTi 合金表面在 微观结构下润湿性的自适应调控。     

Molecular dynamics simulation of wetting behavior at CO2/water/solid interfaces

We used molecular dynamics simulation to demonstrate the microscopic wetting behavior of two solid model surfaces for the first time. Hydrophilic and hydrophobic features were modeled in a dense CO₂ fluid environment under various densities. The water droplet loses contact with the surface under the influence of higher density CO₂ fluids on the hydrophobic surface. For the hydro-philic surface, no separation between the water droplet and the surface was observed. However, the contact angle of the water droplet on the hydrophilic surface was found to increase with the fluid density. The effect of dense CO₂ fluid on the surface wettability can be interpreted in terms of enhanced interactions from the surrounding CO₂ molecules.     

Profile characterization and temperature dependence of droplet control on textured surfaces

Droplet control on textured surfaces has attracted much attention in the fields of drag reduction and high-efficiency microreactors. We investigated the profile characterization and temperature dependence of droplet control between wetting and non-wetting on a series of textured silicon surfaces. Surfaces were fabricated using photolithography, and the temperature-dependent wettability of the single phase regime droplets was characterized using dynamic contact angle measurements. The experiments demonstrated that the profile of textured surfaces characterizes the droplets Leidenfrost point. The Leidenfrost point is proportional to the micro-pillar size and rectangular wave-length of the textured surface and is inversely proportional to ambient temperature. The Leidenfrost droplets moved freely on the textured surface, almost without hysteresis. Droplets could be directed on the surface of microreactors with a low driving force.     

微流控芯片通道壁面润湿性对微滴生成的影响

液滴微流控中芯片微通道的壁面润湿性是决定微滴生成的重要因素之一。为研究环烯烃共聚物芯片微通道表面润湿性对通道内微滴生成以及流体流动行为的影响,利用流体体积(volume of fluid, VOF)模型对聚焦流微通道中水和氟油两相流动行为进行数值模拟,并制备了接触角为30°、90°、120°梯度下的芯片微通道壁面开展实验研究,模拟与实验吻合良好。结果表明:在固定物性和结构参数下,壁面润湿性越弱,油包水微滴越容易形成,壁面的减阻特性随之增强,并且壁面的减阻特性导致90°比120°时微滴的生成频率低29.3%,直径增大8.3%;随着润湿性的增强,水相相对于氟油相的界面由凸变凹,30°时芯片生成微滴由油包水变成水包油;随着连续相毛细数(Ca)的升高,壁面润湿性对微滴生成的影响减小。     

低频RF-等离子体处理对医用不锈钢表面润湿性能的影响

以聚乙烯-乙烯醇（EVAL）为模型高分子,研究了等离子体处理前后不锈钢表面EVAL溶液的铺展润湿情况、EVAL膜的形貌及其结合强度。并建立了医用不锈钢表面润湿性和表面自由能、表面结构之间的关系。研究结果表明：等离子体处理后,不锈钢表面的铺展润湿性显著提高。等离子体处理的最佳工艺条件为：氮气,偏压100V,时间10min。最佳条件处理后,不锈钢表面EVAL膜均匀性、致密度以及涂层与基体的结合强度均得到明显提高。反射红外（ATR—FTIR）、原子力显微镜（AFM）、X光电子能谱（XPS）分析结果显示Ar、N2气体等离子体,尤其是N2气体等离子体预处理后,材料的表面自由能（尤其是极性分量）显著增大,润湿性增强。极性分量的增加与等离子体时材料表面的清洗、刻蚀以及活性化有关。     

二氧化硅材料的表面润湿性改性研究

本工作中,我们采用3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)、钛酸酯偶联剂Tc-114、1H,1H,2H,2H-全氟癸基三氯硅烷(FDTS)、十八烷基三氯硅烷(OTS)对氧化硅材料进行表面改性,研究了不同改性剂及其用量对氧化硅材料表面润湿性的影响。表面润湿性采用水滴在表面的接触角(CA)来评价。通过傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、接触角测量仪对氧化硅材料表面改性的性能进行了表征,结果表明,几种改性剂均能与氧化硅表面的羟基发生反应,成功改性得到不同表面润湿性的氧化硅材料,润湿性从亲水到疏水可控,提高了氧化硅材料应用范围.     

直流电弧等离体喷射CVD金刚石生长面的浸润性研究

为了开展CVD金刚石生长面的浸润性研究,采用直流电弧等离体喷射技术,制备了纳米金刚石自支撑膜、微米金刚石自支撑膜以及毫米单晶金刚石.结果发现：对于相同的金刚石生长表面,接触角按甘油、饱和葡萄糖水溶液、饱和NaCl水溶液和蒸馏水的顺序逐渐增大,表明所制备金刚石的表面对各液体的浸润性逐渐变差;而对于同种滴液,接触角在不同的金刚石表面表现出不同的大小,说明不同的CVD金刚石对于同种液体具有不同的浸润性.而表面能的计算结果表明纳米金刚石自支撑膜生长面的表面能最高,其次是微米自支撑金刚石膜,而单晶金刚石的表面能最小.     

从自然到仿生的超疏水纳米界面材料

浸润性是固体表面的重要特征之一,它是由表面的化学组成和微观几何结构决定的。日前我们关于荷叶和水稻叶的研究显示,一种具有较大接触角和较小滚动角的超疏水表面,需要微米和纳米级的结构有机结合形成复合结构,而且表面微观结构的排列方式会影响水滴的运动趋势。通过对水黾腿表面结构的详细研究,得到了超疏水性质与微、纳米结构取向之间的关系。据此,我们已成功制备出了超疏水和超双疏的纳米界面材料,并实现了热响应性和光响应的超疏水与超亲水可逆“开关”材料。