CN104357795B

CN104357795B - 一种通过提高液固表面浸润性实现液体大面积铺展的方法

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Publication number: CN104357795B
Application number: CN201410727861.XA
Authority: CN
Inventors: 阳倦成; 倪明玖; 刘佰奇; 张�杰; 齐天煜
Original assignee: University of Chinese Academy of Sciences
Current assignee: University of Chinese Academy of Sciences
Priority date: 2014-12-03
Filing date: 2014-12-03
Publication date: 2017-01-04
Anticipated expiration: 2034-12-03
Also published as: CN104357795A

Abstract

本发明涉及表面科学领域，特别涉及一种通过提高液固表面浸润性实现液体大面积铺展的方法，包括以下步骤：在非润湿表面加工多个小孔，每个小孔与非润湿表面的交点的切线与非润湿表面之间的夹角小于90°；将金属液体在非润湿表面铺展即可。本发明选用在非润湿表面加工多个小孔，小孔与非润湿表面的交点，经过该交点的切线与非润湿表面之间的夹角小于90°，将金属液在非润湿表面铺展，使金属液覆盖于非润湿固体表面，实现了非润湿表面具有较好润湿性；并且孔之间的材料并未发生改变，为原始的固体材料，这种结构能保证与原始固体材料一致的性能。

Description

一种通过提高液固表面浸润性实现液体大面积铺展的方法

技术领域

本发明涉及表面科学领域，具体而言，涉及一种通过提高液固表面浸润性实现液体大面积铺展的方法。

背景技术

润湿性是液体与固体表面接触能力的一种直观表现，一般由接触角来直接定量。图1中θ为液滴在固体表面所形成的接触角。当θ<90°，则液体表现为较易润湿该固体壁面；当θ>90°，则液体表现为不易润湿固体壁面。目前，大量研究致力于增强液体在固体表面的润湿性以提高壁面的液膜铺展特性和传热性能。目前，存在的增强固体表面润湿性的方法有：①在固体材料表面进行镀膜，如在固体表面覆盖TiO₂薄膜并通过紫外光辐照的方法获得超级亲水表面(较好润湿性的表面)；②在固体材料表面通过化学腐蚀、光刻等方法制作各种微结构并形成粗糙表面来实现固体表面较好的润湿性。

现有的技术如发明专利“超亲水纳米结构”、“紫铜表面超亲水结构制备方法及用该方法制造的紫铜微热管”、“一种在铝表面制备超亲水浸润表面的方法”、“一种简易的长效超亲水钼表面的制备方法”等，主要是通过在材料表面实现微细的结构来增加润湿性。

如“超亲水纳米结构”的实现方法如下：将具有不同形状纳米颗粒的纳米流体施用于基底上，而后进行加热，加热后随着溶液的逐渐蒸发，纳米流体中的纳米颗粒会聚集并附着在基底上形成如图2和图3的多孔聚集体集群。这种多孔聚集体集群使得基底表面变得粗糙，进而形成超亲水的表面。

如“紫铜表面超亲水结构制备方法及用该方法制造的紫铜微热管”的实现方法如下：图4为其结构图，附图中，1、紫铜基管；2、超亲水层；3、真空容腔；具体地，附着于紫铜基管的超亲水层形成方法如下：①配制CuSO₄和H₂SO₄的混合溶液作为电解质；②用稀硫酸和乙醇进行超声波清洗紫铜管表面，并用去离子水清洗后烘干；③将清洗后的紫铜管放入电解质中进行电化学沉积构筑微-纳米粗糙结构；④烧结处理以获得超亲水层。

现有的技术方法主要存在以下的局限和缺点：

1、上述技术均是通过在材料表面构筑各种微尺度结构，以实现水在其表面的润湿性，而无法应用于高温的环境；

2、微尺度结构的机械强度差，使用寿命短，易受外界因素的影响，如辐照和高温下微结构易受破坏，无法长期使用；

3、上述技术均未考虑液体在固体表面流动的情况，若液体需要在固体表面进行流动，固体表面的微结构会使得流动的阻力增大；

4、根据Wenze模型理论，粗糙表面使得疏水材料更加疏水，亲水材料更加亲水，因此，上述技术的微结构只适合本身具有亲水特性的材料。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过提高液固表面浸润性实现液体大面积铺展的方法，由于液态金属与常规流体(水)不同，液态金属具有较大的表面张力(与固体表面接触时具有较大的接触角)、较大的粘度，更不容易润湿固体表面，因而无法很好的在固体表面铺展。本发明通过在非润湿表面加工多个孔，通过选用特定深度的小孔，并且限定了空间的距离然后在上面注射金属液滴，得到的液滴接触角<90°；当金属液体从上至下流动时，由于同种金属液体之间完全浸润，流动的金属液体会将非润湿表面露出来的金属液滴连接起来，流动的金属液体将会与金属液滴连成一片完整的液膜并覆盖于非润湿固体表面，实现了非润湿表面具有较好润湿性；并且由于金属液滴约2/3的体积位于孔内，因此，在金属流体流动过程中，该液滴如同刚性小球，将一直保持在孔内滚动，这种滚动效果与轴承的润滑效果类似，将极大地减小金属液体在固体表面流动的阻力，解决了金属流体在粗糙固体表面的流动阻力问题；此外，由于该方法在固体表面加工的小孔为毫米尺寸，且各个孔之间互不相通，孔之间的材料并未发生改变，为原始的固体材料，这种结构能保证与原始固体材料一致的性能。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种通过提高液固表面浸润性实现液体大面积铺展的方法，包括以下步骤：

(a)、在非润湿表面加工多个小孔，每个小孔与非润湿表面的交点的切线与非润湿表面之间的夹角小于90°；

(b)、将金属液体在非润湿表面铺展即可。

如图5所示，若是直接将金属液滴4注射在非浸润材料5的表面，θ₁角即接触角大于90°，不易润湿非润湿表面；与现有的在材料表面构筑各种微尺度结构不同，本发明选用在非润湿表面加工多个小孔，如图6所示，小孔与非润湿表面的交点，经过该交点的切线与非润湿表面之间的夹角小于90°，将金属液在非润湿表面铺展，使金属液覆盖于非润湿固体表面，实现了非润湿表面具有较好润湿性；并且孔之间的材料并未发生改变，为原始的固体材料，这种结构能保证与原始固体材料一致的性能。

进一步地，小孔垂直于非润湿表面的中心线长度为3-8mm，小孔的深度为小孔垂直于非润湿表面的中心线长度的1.7/3-2.3/3；相邻两个小孔的中心间距为小孔平行于非润湿表面的中心线长度的3.4/3-4.6/3。经多次试验验证，该大小的小孔，在非润湿表面铺展金属液，得到的液滴接触角<90°；当金属液体从上至下流动时，由于同种金属液体之间完全浸润，如图9所示，流动的金属液体会将非润湿表面露出来的金属液滴连接起来，流动的金属液体将会与金属液滴连成一片完整的金属液膜6并覆盖于非润湿固体表面，实现了非润湿表面具有较好润湿性。

为了使金属液滴具有更好的润湿性，优选地，小孔的深度为小孔垂直于非润湿表面的中心线长度的1.9/3-2.2/3；更优选为小孔的深度为小孔垂直于非润湿表面的中心线长度的2/3，如图6所示，其中，D为金属液滴直径，也为圆形小孔的直径，即为小孔垂直于非润湿表面的中心线长度。

为了便于金属液铺展地更为均一，优选地，相邻两个小孔的中心间距为小孔平行于非润湿表面的中心线长度的3.8/3-4.2/3；更优选为相邻两个小孔的中心间距为小孔平行于非润湿表面的中心线长度的4/3。

小孔可以为球形、椭球形以及不规则的球形等。如图8所示，进一步地，所述小孔的形状为球形或椭球形。由于金属液滴约2/3的体积位于孔内，因此，在金属流体流动过程中，如图9所示，该液滴如同刚性小球，将一直保持在孔内滚动，这种滚动效果与轴承的润滑效果类似，将极大地减小金属液体在固体表面流动的阻力，解决了金属流体在粗糙固体表面的流动阻力问题；不同孔之间的金属液滴滚动形成的金属液膜6实现了良好的铺展性。

如：若小孔的形状为球形，小孔的直径为3-8mm，小孔的深度为小孔直径长度的1.7/3-2.3/3；相邻两个小孔的中心间距为小孔直径长度的3.4/3-4.6/3。

若小孔的形状为椭球形，小孔的长径为3-8mm，小孔的短径为2-5mm，小孔的深度为小孔短径长度的1.7/3-2.3/3；相邻两个小孔的中心间距为小孔长径长度的3.4/3-4.6/3。

为了保持液滴的浸润性，并使金属液体在固体表面流动的阻力更小，进一步地，所述小孔为椭球形，椭球形的短径垂直于非润湿表面。

经验证，椭球形的短径长度为2-5mm，金属液铺展时效果更好。更进一步地，椭球形的短径长度为2-5mm。

如图7和图8所示，金属液滴在非润湿表面形成的分布示意图。优选地，在步骤(b)中，所述金属液通过将金属液滴注射到非润湿表面的小孔内，然后用金属液体进行铺展；

其中，所述金属液滴的体积不小于小孔的完整体积。

金属液滴的体积不小于小孔的完整体积即：如小孔为圆形孔，金属液滴的半径不小于小孔的半径；若小孔的体积与保持了金属液滴与小孔的完整体积的一致性，使得金属液在铺展过程中保持很好的浸润性，并使金属液滚动的铺展过程铺展的更为均一。

具体地，所述金属液为锂、水银、镓铟锡中的任一种。这几种金属液采用本发明提供的通过提高液固表面浸润性实现液体大面积铺展的方法，使材料之间的浸润性得到提升，并且铺展地更为均匀；需要说明的是，金属液并不限于这几种材料。

如图10-12所示，进一步地，小孔的排布方式为交叉排列、矩阵排列和随机排列中的任一种或多种。小孔可以同时采用多种排列方式，也可以只采用一种排列方式。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明通过在非润湿表面加工多个孔，通过选用特定深度的小孔，并且限定了空间的距离然后在上面注射金属液滴，得到的液滴接触角<90°；当金属液体从上至下流动时，由于同种金属液体之间完全浸润，流动的金属液体会将非润湿表面露出来的金属液滴连接起来，流动的金属液体将会与金属液滴连成一片完整的液膜并覆盖于非润湿固体表面，实现了非润湿表面具有较好润湿性；

(2)并且由于金属液滴约2/3的体积位于孔内，因此，在金属流体流动过程中，该液滴如同刚性小球，将一直保持在孔内滚动，这种滚动效果与轴承的润滑效果类似，将极大地减小金属液体在固体表面流动的阻力，解决了金属流体在粗糙固体表面的流动阻力问题；

(3)此外，由于该方法在固体表面加工的小孔为毫米尺寸，且各个孔之间互不相通，孔之间的材料并未发生改变，为原始的固体材料，这种结构能保证与原始固体材料一致的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，以下将对本发明或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明背景技术中关于接触角的示意图；

图2为本发明背景技术中超亲水纳米结构的示意图；

图3为本发明背景技术中超亲水纳米结构的侧视图；

图4为本发明背景技术中紫铜微热管结构示意图；

图5为本发明金属流体在非润湿表面形成的液滴示意图；

图6为本发明金属液滴在改造后的非润湿表面形态的示意图；

图7为本发明非润湿表面形成的液滴分布侧面剖视图；

图8为本发明非润湿表面形成的液滴分布俯视图；

图9为本发明金属液滴流动后形成的金属液膜在改造后的非润湿表面的铺展示意图；

图10为本发明实施例小孔交叉排列示意图；

图11为本发明实施例小孔矩阵排列示意图；

图12为本发明实施例小孔随机排列示意图。

附图标记：1、紫铜基管；2、超亲水层；3、真空容腔；4、金属液滴；5、非浸润材料；6、金属液膜。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售获得的常规产品。

实施例1

通过提高液固表面浸润性实现液体大面积铺展的方法，包括以下步骤：

(a)、在非润湿表面加工多个小孔，小孔的形状为球形，小孔的直径为3mm，小孔的深度为1.7mm；相邻两个小孔的中心间距为3.4mm，小孔的排布方式为如图10所示的交叉排列；

(b)、在高温环境下将金属锂液滴注射到非润湿表面的小孔内，然后用金属锂液体进行铺展。

实施例2

(a)、在非润湿表面加工多个小孔，小孔的形状为球形，小孔的直径为6mm，小孔的深度为4.6mm；相邻两个小孔的中心间距为9.2mm，小孔的排布方式为如图11所示的矩阵排列；

(b)、将金属镓铟锡液滴注射到非润湿表面的小孔内，然后用金属镓铟锡液体进行铺展。

实施例3

(a)、在非润湿表面加工多个小孔，小孔的形状为球形，小孔的直径为8mm，小孔的深度为16/3mm；相邻两个小孔的中心间距为32/3mm，小孔的排布方式为如图12所示的随机排列；

实施例4

(a)、在非润湿表面加工多个小孔，小孔的形状为椭球形，椭球形的短径垂直于非润湿表面，椭球形的长径为3mm，短径为2mm，小孔的深度为3.8/3mm；相邻两个小孔的中心间距为11.4/3mm，小孔的排布方式为如图10所示的交叉排列；

实施例5

(a)、在非润湿表面加工多个小孔，小孔的形状为椭球形，椭球形的短径垂直于非润湿表面，椭球形的长径为8mm，短径为5mm，小孔的深度为11/3mm；相邻两个小孔的中心间距为11.2mm，小孔的排布方式为如图12所示的随机排列；

(b)、将金属水银液滴注射到非润湿表面的小孔内，然后用金属水银液体进行铺展。

实施例6

(a)、在非润湿表面加工多个小孔，小孔的形状为椭球形，椭球形的短径垂直于非润湿表面，椭球形的长径为6mm，短径为3mm，小孔的深度为2mm；相邻两个小孔的中心间距为8mm，小孔的排布方式为如图11所示的矩阵排列；

实施例1-6的非润湿表面均为铝板，并且铝板均抛光后挖小孔，铝板尺寸为长×宽×厚100mm×30mm×10mm。对实施例1-6的液滴铺展状况在室温下测定，分别测量接触角和铺展。同时，以相同抛光的铝板作为对照组，对照组分为3组，对照组1中的金属液滴为锂；对照组2中的金属液滴为水银；对照组3中的金属液滴为镓铟锡；此外，对照组中接触角的测定所用液滴与实施例一致。

接触角的测定：接触角采用实验测量仪器Phantom MIRO LC310高速相机进行拍照，然后计算得到接触角。实施例1-6中金属液滴的接触角在20-50°；对照组中金属液滴的接触角在150°以上。

测量金属液体在铝板表面的铺展，铺展特性的测试方法如下：1、铝板沿长度方向均倾斜30°；2、在实施例1-6的铝板表面的加工球形孔内注满金属液滴；3、分别在实施例和对照组的铝板高的一端以同样的流量和流速注入镓铟锡液体，该液体在重力作用下沿铝板长度方向至上而下流动，用高速相机拍摄从上往下流动的镓铟锡液体在铝板表面的铺展情况，计算铺展的宽度，结果如表1所示。

表1金属液体在铝板表面的铺展

组别	铺展宽度(mm)
		实施例1	26
实施例2	30
		实施例3	30
实施例4	27
		实施例5	29
实施例6	28
		对照组1	5
对照组2	6
		对照组3	4

铺展效果的好坏主要由金属液体在固体表面覆盖的宽度大小决定，宽度越大，铺展性越好；宽度越小，铺展性越差。通过对高速摄像仪获取的结果进行测量，结果如下：金属液体在对照组铝板表面呈现一股股的流动，每股流动之间存在一定的间隙，每股流动的平均直径为5mm左右，每股流动之间的间隙为3mm左右，不能完全铺展铝板表面；而本发明实施例提供的铺展方法，基本保证了大面积铺展，连续铺展的最小宽度为26mm，铺展率达到86％以上。上述结果表明按照本发明提供的方法能实现金属液体在铝表面的连续铺展。

此外，其他非润湿表面的金属液体的铺展率也有与上述一致的效果。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以做出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims

1.一种通过提高液固表面浸润性实现金属液体大面积铺展的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(b)、将金属液体在非润湿表面铺展即可；

小孔垂直于非润湿表面的中心线长度为3-8mm，小孔的深度为小孔垂直于非润湿表面的中心线长度的1.7/3-2.3/3；相邻两个小孔的中心间距为小孔平行于非润湿表面的中心线长度的3.4/3-4.6/3。

2.根据权利要求1所述的通过提高液固表面浸润性实现金属液体大面积铺展的方法，其特征在于，小孔的深度为小孔垂直于非润湿表面的中心线长度的1.9/3-2.2/3。

3.根据权利要求2所述的通过提高液固表面浸润性实现金属液体大面积铺展的方法，其特征在于，小孔的深度为小孔垂直于非润湿表面的中心线长度的2/3。

4.根据权利要求1所述的通过提高液固表面浸润性实现金属液体大面积铺展的方法，其特征在于，相邻两个小孔的中心间距为小孔平行于非润湿表面的中心线长度的3.8/3-4.2/3。

5.根据权利要求4所述的通过提高液固表面浸润性实现金属液体大面积铺展的方法，其特征在于，相邻两个小孔的中心间距为小孔平行于非润湿表面的中心线长度的4/3。

6.根据权利要求1所述的通过提高液固表面浸润性实现金属液体大面积铺展的方法，其特征在于，所述小孔的形状为球形或椭球形。

7.根据权利要求6所述的通过提高液固表面浸润性实现金属液体大面积铺展的方法，其特征在于，所述小孔为椭球形，椭球形的短径垂直于非润湿表面。

8.根据权利要求7所述的通过提高液固表面浸润性实现金属液体大面积铺展的方法，其特征在于，椭球形的短径长度为2-5mm。

9.根据权利要求1所述的通过提高液固表面浸润性实现金属液体大面积铺展的方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述金属液通过将金属液滴注射到非润湿表面的小孔内，然后用金属液体进行铺展；

其中，所述金属液滴的体积不小于小孔的完整体积。

10.根据权利要求1所述的通过提高液固表面浸润性实现金属液体大面积铺展的方法，其特征在于，所述金属液为锂、水银、镓铟锡中的任一种。

11.根据权利要求1-10任一项所述的通过提高液固表面浸润性实现金属液体大面积铺展的方法，其特征在于，小孔的排布方式为交叉排列、矩阵排列和随机排列中的任一种或多种。