金属基超亲水/超疏水复合结构表面滴状冷凝特性和强化机理研究

Regarding the problem of low heat transfer coefficient of conventional superhydrophobic surfaces at high supersaturations due to surface flooding as a result of fast nucleation of condensate droplets within the structures, this proposal presents the investigation of dropwise condensation characteristics and enhancement mechanism on hybrid superhydrophilic/superhydrophobic surfaces. The fabrication process of metal-based superhydrophilic/superhydrophobic surfaces using fiber laser-ablation technique will be developed, the relationship between surface structures and surface wettability will be clarified; the dynamic condensation processes on various hybrid surfaces at high supersaturations will be investigated to reveal the variations of condensate droplet nucleation density, departure frequency, jumping speeding to the surface geometry; the heat transfer performances of hybrid surfaces will be experimentally studied to clarify the enhanced dropwise condensation characteristics on structured surfaces; the physical model of dropwise condensation on structured surfaces will be established to understand the underlying enhancement mechanism of dropwise condensation heat transfer on hybrid superhydrophilic/superhydrophobic surfaces. Implementation of this project will not only advance our in-depth understanding of the heat transfer mechanism on structured surfaces, but also provide great academic significance to develop high efficient dropwise condensation heat transfer devices.

针对传统超疏水表面在高过饱和度条件下容易被快速成核的冷凝液淹没而导致冷凝传热系数低的难题，本项目开展超亲水/超疏水复合结构表面的滴状冷凝特性和强化机理研究。研究基于光纤激光烧蚀技术制备金属基超亲水/超疏水相间复合结构表面的方法，阐明表面结构特征与表面润湿性能之间的关系；研究高过饱和度条件下不同亲疏水复合结构表面上的动态冷凝过程，揭示冷凝液滴成核密度、脱落频率、弹跳速度与表面特性之间的变化规律；实验研究复合结构表面的冷凝传热性能，厘清结构表面滴状冷凝传热的强化特性；建立结构表面滴状冷凝传热的物理模型，揭示超亲水/超疏水复合结构表面滴状冷凝传热的强化机理。本项目的研究将深化对结构表面冷凝换热机理的认识，对开发高效滴状冷凝换热设备有着重要的学术意义。

以往利用亲疏水复合结构表面实现高效滴状冷凝传热的研究工作大都集中在硅衬底上，所利用的微纳米加工技术需要超洁净环境，限制了其在工业上的应用。本项目利用激光烧蚀和化学腐蚀技术，在金属铜衬底上加工出了一系列亲疏水复合结构表面，用于强化滴状冷凝传热和冷凝水收集。. 主要研究内容：本项目利用激光烧蚀和化学腐蚀技术，在金属铜衬底上加工了一系列亲疏水结构表面，并进行了（1）微纳米复合结构超疏水表面的制备及其冷凝特性研究；（2）纳米结构超疏水表面强化滴状冷凝传热实验研究；（3）超疏水/亲水复合结构表面强化冷凝换热特性实验和理论研究；（4）超疏水/超亲水复合结构表面的冷凝集水研究；（5）探索了超疏水或超亲水表面在防结冰和海水淡化方面的应用。. 主要研究成果：（1）发表及录用了SCI、EI和会议论文11篇，其中SCI论文7篇，EI论文2篇，会议论文2篇；（2）申请了发明专利4项；（3）培养了和正在培养研究生14名，包括博士生在读5人，硕士生毕业1人、在读8人。. 关键数据及其科学意义：（1）开发了高精度、可调控的铜基微纳米结构加工技术，并系统研究不同结构表面上的冷凝特性，对推进结构表面在传热领域的工业化提供指导；（2）采用环境扫描电子显微镜，从微观尺度系统比较了化学腐蚀时间对超疏水表面冷凝特性的影响规律。这种通过控制化学腐蚀时间，来控制滴状冷凝传热效果的研究对设计性能优异的冷凝器具有重要的指导意义；（3）通过控制亲水点的大小以及亲水点的间距，得出了能够强化滴状冷凝传热的最佳超疏水/亲水复合结构参数；通过分析表面上单个液滴的换热性能以及表面上液滴的分布情况，揭示了亲疏水复合结构表面滴状冷凝传热的强化机理；（4）优化设计了具有三角楔形亲水图案的超疏水/超亲水表面，实现了冷凝液滴的定向运输，并从润湿性梯度与形状梯度的角度明晰亲水图案强化集水性能的内在机制；（5）进一步探究了激光烧蚀技术制备功能表面的普适性，实现了柔性超疏水表面在防结冰上的应用、铜基超疏水表面在观察纳米流体液滴结冰的适用性、以及超亲水石墨烯表面在海水淡化上的优越性。