CN113102200B - 一种强化滴状冷凝传热的超亲液-超滑图案化表面及其加工方法 - Google Patents
一种强化滴状冷凝传热的超亲液-超滑图案化表面及其加工方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113102200B CN113102200B CN202110386915.0A CN202110386915A CN113102200B CN 113102200 B CN113102200 B CN 113102200B CN 202110386915 A CN202110386915 A CN 202110386915A CN 113102200 B CN113102200 B CN 113102200B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- super
- lyophilic
- nano structure
- lyophobic
- liquid
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000009833 condensation Methods 0.000 title claims abstract description 61
- 230000005494 condensation Effects 0.000 title claims abstract description 61
- 238000012546 transfer Methods 0.000 title claims abstract description 44
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 title claims abstract description 26
- 238000003672 processing method Methods 0.000 title claims abstract description 10
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 claims abstract description 82
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 61
- 230000001050 lubricating effect Effects 0.000 claims abstract description 51
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 46
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 20
- 238000002791 soaking Methods 0.000 claims abstract description 12
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 239000002608 ionic liquid Substances 0.000 claims description 12
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 12
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 12
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 11
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 11
- 230000008595 infiltration Effects 0.000 claims description 9
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 claims description 9
- 238000002679 ablation Methods 0.000 claims description 7
- XPBBUZJBQWWFFJ-UHFFFAOYSA-N fluorosilane Chemical compound [SiH3]F XPBBUZJBQWWFFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 238000000608 laser ablation Methods 0.000 claims description 7
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229920002545 silicone oil Polymers 0.000 claims description 6
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 6
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 6
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- KPUWHANPEXNPJT-UHFFFAOYSA-N disiloxane Chemical class [SiH3]O[SiH3] KPUWHANPEXNPJT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000010687 lubricating oil Substances 0.000 claims description 5
- 239000010702 perfluoropolyether Substances 0.000 claims description 5
- 230000007774 longterm Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 8
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 6
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 4
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 3
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M potassium hydroxide Inorganic materials [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 2
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 2
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000005034 decoration Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000003595 mist Substances 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- USHAGKDGDHPEEY-UHFFFAOYSA-L potassium persulfate Chemical compound [K+].[K+].[O-]S(=O)(=O)OOS([O-])(=O)=O USHAGKDGDHPEEY-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000004781 supercooling Methods 0.000 description 1
- 230000003075 superhydrophobic effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05D5/00—Processes for applying liquids or other fluent materials to surfaces to obtain special surface effects, finishes or structures
- B05D5/04—Processes for applying liquids or other fluent materials to surfaces to obtain special surface effects, finishes or structures to obtain a surface receptive to ink or other liquid
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05D3/00—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials
- B05D3/10—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials by other chemical means
- B05D3/102—Pretreatment of metallic substrates
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05D3/00—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials
- B05D3/14—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials by electrical means
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05D5/00—Processes for applying liquids or other fluent materials to surfaces to obtain special surface effects, finishes or structures
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05D5/00—Processes for applying liquids or other fluent materials to surfaces to obtain special surface effects, finishes or structures
- B05D5/06—Processes for applying liquids or other fluent materials to surfaces to obtain special surface effects, finishes or structures to obtain multicolour or other optical effects
- B05D5/061—Special surface effect
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
- C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
- C25D11/02—Anodisation
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05D2202/00—Metallic substrate
- B05D2202/10—Metallic substrate based on Fe
- B05D2202/15—Stainless steel
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05D2202/00—Metallic substrate
- B05D2202/30—Metallic substrate based on refractory metals (Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W)
- B05D2202/35—Metallic substrate based on refractory metals (Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W) based on Ti
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05D2202/00—Metallic substrate
- B05D2202/40—Metallic substrate based on other transition elements
- B05D2202/45—Metallic substrate based on other transition elements based on Cu
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
Abstract
本发明公开了一种强化滴状冷凝传热的超亲液‑超滑图案化表面及其加工方法，表面包括基底、超疏液纳米结构、液体润滑层、超亲液图案和图案化水膜；超疏液纳米结构为在基体表面加工出的并具有超疏液性能的纳米结构；液体润滑层为润滑液浸润超疏液纳米结构后被超疏液纳米结构锁住的润滑液层；超亲液图案为在超疏液纳米结构中加工出的槽状图案；超亲液图案为楔形或方形条纹阵列；图案化水膜为通过浸润在超亲液图案上形成的水膜；液体润滑层与图案化水膜边界清晰、不互溶；图案化水膜构成超亲液图案区，超疏液纳米结构锁住的液体润滑层构成超滑区。本发明可实现稳态滴状冷凝，显著提高了冷凝传热效率及滴状冷凝传热长效性。
Description
技术领域
本发明属于冷凝和传热传质技术领域，涉及一种表面，尤其涉及一种强化滴状冷凝传热的超亲液-超滑图案化表面及其加工方法。
背景技术
冷凝作为一种高效传热方式，在高热流密度微电子器件、新能源装备散热领域具有重要应用价值。此外，冷凝可将雾气凝结为液滴，因此在防雾和水资源收集等领域也受到研究学者高度重视。
冷凝分膜状冷凝和滴状冷凝。膜状冷凝时，冷凝液成液膜铺展在表面，随后热蒸汽需通过液膜与表面换热，热阻大。而滴状冷凝时，冷凝液成球缺状分布在表面，冷凝过程所释放的热量直接与壁面接触，热阻小，传热效率是膜状冷凝的数倍(Institution ofMechanical Engineers,Part A:Journal of Power and Energy,2002,216:115-128)。目前，国内外研究学者通过多种表面，包括超疏液表面、超亲液/超疏液图案化表面、超滑表面实现滴状冷凝。例如，大连理工大学利用具有楔形间隙的超疏液铜纳米线来促进滴状冷凝液脱离，提高滴状冷凝长效性(ACS Applied Materials&Interfaces,2017,9:13770-13777)。华中科技大学提出在超疏液铜纳米线表面嵌入超亲液铜网，构建超亲液/超疏液图案化表面，来提高冷凝液汇聚和脱离，促进表面冷凝液更新，进而提高表面冷凝传热效率(National Science Review,2018,5:878-887)。上述表面滴状冷凝均会因高过冷度而使冷凝液浸没超疏液纳米结构2，使表面失效。用润滑液浸没超疏水纳米结构可获得超滑表面，超滑表面液滴呈球缺状、滑动角极小，且液滴与润滑液不互溶，可形成稳态滴状冷凝(Science Advances,2018,4:eaaq0919)，但超滑表面的滴状冷凝液无法快速汇聚、传输，降低了表面冷凝液更新速度和冷凝传热效率。
综上可见，如何实现稳态滴状冷凝，并促进滴状冷凝液高效汇聚、传输是制约功能化表面滴状冷凝传热的关键。
发明内容
本发明提供一种强化滴状冷凝传热的超亲液-超滑图案化表面及其加工方法，以克服现有技术的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供一种强化滴状冷凝传热的超亲液-超滑图案化表面，具有这样的特征：包括基底、超疏液纳米结构、液体润滑层、超亲液图案和图案化水膜；所述超疏液纳米结构为在基体表面加工出的并具有超疏液性能的纳米结构；纳米结构指纳米级尺寸的结构，例如纳米管、纳米线、纳米绒毛、纳米团簇等结构；所述液体润滑层为润滑液浸润超疏液纳米结构后被超疏液纳米结构锁住的润滑液层；所述超亲液图案为在超疏液纳米结构中加工出的槽状图案，即凹陷于超疏液纳米结构的超亲液图案；超亲液图案为楔形或方形条纹阵列；所述图案化水膜为通过浸润在超亲液图案上形成的水膜；液体润滑层与图案化水膜边界清晰、不互溶；图案化水膜构成超亲液图案区，超疏液纳米结构锁住的液体润滑层构成超滑区。
进一步，本发明提供一种强化滴状冷凝传热的超亲液-超滑图案化表面，还可以具有这样的特征：其中，所述超亲液图案的深度为0.01-0.5mm。
进一步，本发明提供一种强化滴状冷凝传热的超亲液-超滑图案化表面，还可以具有这样的特征：所述超亲液图案为楔形条纹阵列，单个楔形条纹的窄端宽度为0.01-0.2mm，宽端宽度0.2-1.0mm，条纹间距为0.4-2.0mm，楔形夹角为0.5-4.0度。
进一步，本发明提供一种强化滴状冷凝传热的超亲液-超滑图案化表面，还可以具有这样的特征：所述超亲液图案为方形条纹阵列，单个方形条纹的宽度为0.01-1.0mm，条纹间距为0.02-2.0mm。
进一步，本发明提供一种强化滴状冷凝传热的超亲液-超滑图案化表面，还可以具有这样的特征：所述基底为钛、铜或不锈钢。
进一步，本发明提供一种强化滴状冷凝传热的超亲液-超滑图案化表面，还可以具有这样的特征：所述基底为钛时，采用电化学阳极氧化或纳秒激光烧蚀加工纳米结构；所述基底为铜时，采用碱性氧化或纳秒激光烧蚀加工纳米结构；所述基底为不锈钢时，采用纳秒激光烧蚀加工纳米结构。
进一步，本发明提供一种强化滴状冷凝传热的超亲液-超滑图案化表面，还可以具有这样的特征：所述纳米结构经氟硅烷乙醇溶液浸泡形成超疏液纳米结构。
进一步，本发明提供一种强化滴状冷凝传热的超亲液-超滑图案化表面，还可以具有这样的特征：所述超亲液图案采用纳秒激光定域烧蚀在超疏液纳米结构上加工而成。
进一步，本发明提供一种强化滴状冷凝传热的超亲液-超滑图案化表面，还可以具有这样的特征：
所述液体润滑层的润滑液为离子液、硅油、羟基封端硅氧烷或全氟聚醚润滑油。
本发明还提供上述强化滴状冷凝传热的超亲液-超滑图案化表面的加工方法，具有这样的特征：包括以下步骤：
步骤一、利用电化学阳极氧化、碱性氧化或纳秒激光在钛、铜和不锈钢基底加工超亲液纳米结构；
步骤二、步骤一获得的超亲液纳米结构经氟硅烷乙醇溶液浸泡10～120min获得超疏液纳米结构；
步骤三、采用纳秒激光定域烧蚀改性步骤二获得的超疏液纳米结构，获得超亲液图案；
步骤四、将步骤三获得的具有超亲液图案的超疏液纳米结构用水浸润，水驻留超亲液图案处，形成图案化水膜；再用润滑液浸润超疏液纳米结构构建液体润滑层，进而获得超亲液-超滑图案化表面；
或者，将步骤三获得的具有超亲液图案的超疏液纳米结构先用润滑液浸润；再将表面垂直浸入水中并静置10-60s后提拉出水面，往复1-10次，使水浸润超亲液图案，进而获得超亲液-超滑图案化表面；
其中，润滑液为离子液、硅油、羟基封端硅氧烷或全氟聚醚润滑油；若润滑液为离子液，为便于浸润，浸润前，离子液被加热至60-100℃以降低表面张力。
本发明的有益效果在于：本发明提供一种强化滴状冷凝传热的超亲液-超滑图案化表面，该表面具有超亲液图案区和超滑区，集成了超滑表面的稳态滴状冷凝特性和超亲液图案的毛细能力，具体的：
一、本发明提出的超亲液-超滑图案化表面利用超滑区可实现稳态滴状冷凝，相比膜状冷凝，显著提高了冷凝传热效率。
二、本发明提出的超亲液-超滑图案化表面利用超亲液图案区约束超滑区滴状冷凝液横向生长，并利用超亲液图案区的毛细效应吸收位于超滑区的滴状冷凝液，并传输脱离冷凝区，提高滴状冷凝传热长效性。尤其是当超亲液图案区为楔形条纹阵列时，可利用楔形拓扑的拉普拉斯压力梯度使冷凝液传输脱离冷凝区。
本发明可实现表面冷凝快速更新，强化滴状冷凝传热，为设计和制造应用于高热流密度微电子器件和高性能燃料电池的新型相变散热器件提供技术和理论基础。
附图说明
图1是强化滴状冷凝传热的超亲液-超滑图案化表面的结构示意图；
图2是强化滴状冷凝传热的超亲液-超滑图案化表面的加工过程示意图；
图3是超亲液图案区利用毛细效应吸收超滑区滴状冷凝液示意图；
图4是强化滴状冷凝传热的超亲液-超滑图案化表面俯视图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1和2所示，本实施例提供一种强化滴状冷凝传热的超亲液-超滑图案化表面，包括基底1、超疏液纳米结构2、液体润滑层3、超亲液图案4和图案化水膜5。
超疏液纳米结构2为在基体表面加工出的并具有超疏液性能的纳米结构。本实施例中，纳米结构为纳米管结构。
液体润滑层3为润滑液浸润超疏液纳米结构2后被超疏液纳米结构2锁住的润滑液层。
超亲液图案4为在超疏液纳米结构2中加工出的槽状图案，即凹陷于超疏液纳米结构2的超亲液图案4。本实施例中，超亲液图案4为楔形条纹阵列。
图案化水膜5为通过浸润在超亲液图案4上形成的水膜。
液体润滑层3与图案化水膜5边界清晰、不互溶。
图案化水膜5构成超亲液图案区，超疏液纳米结构2锁住的液体润滑层3构成超滑区。
所述强化滴状冷凝传热的超亲液-超滑图案化表面的加工方法，包括以下步骤，如图2所示：
步骤一、利用电化学阳极氧化在钛基底1加工超亲液纳米结构2′。其中，电解液为0.5wt％氢氟酸水溶液，阳极氧化电压为25V，阳极氧化时间为20min。
步骤二、步骤一获得的超亲液纳米结构2′经1wt％氟硅烷乙醇溶液浸泡60min获得超疏液纳米结构2。
步骤三、采用纳秒激光定域烧蚀改性步骤二获得的超疏液纳米结构2，获得超亲液图案4。楔形条纹阵列的超亲液图案4的深度为0.2mm，单个楔形条纹的窄端宽度为0.01mm，宽端宽度为0.2mm，楔形夹角为0.5-4.0度，条纹间距为0.4mm。
步骤四、如图2中的路线(1)所示，将步骤三获得的具有超亲液图案4的超疏液纳米结构2用去离子水浸润，去离子水驻留超亲液图案4处，形成图案化水膜5。再用润滑液浸润超疏液纳米结构2构建液体润滑层3，进而获得超亲液-超滑图案化表面。其中，润滑液可以是BMI-TFSI离子液、羟基封端硅氧烷或全氟聚醚润滑油Y25/6；若润滑液为BMI-TFSI离子液，为便于浸润，浸润前，离子液被加热至100℃以降低表面张力。
其中，步骤四还可以为：如图2中的路线(2)所示，将步骤三获得的具有超亲液图案4的超疏液纳米结构2先用润滑液浸润；再将表面垂直浸入去离子水中并静置10-60s后提拉出水面，往复1-10次，使水浸润超亲液图案4，同样可以获得超亲液-超滑图案化表面；其中，润滑液为硅油。
如图3和4所示，冷凝液6在液体润滑层3构成的超滑区表面为稳态滴状冷凝，且图案化水膜可约束滴状冷凝液6横向生长，并通过毛细力吸收、转移冷凝液6。
BMI-TFSI离子液饱和蒸气压极低(1.33×10-10Pa)，在低气压下(10-5Pa)几乎不挥发，可应用在低于大气压的热管内腔。
实施例2
本实施例提供一种强化滴状冷凝传热的超亲液-超滑图案化表面，其结构与实施例1相同，区别仅在于：纳米结构为纳米线结构；超亲液图案为方形条纹阵列。
所述强化滴状冷凝传热的超亲液-超滑图案化表面的加工方法，包括以下步骤：
步骤一、利用碱性氧化在铜基底加工超亲液纳米结构。其中，溶液为2.5mol·L-1氢氧化钾和0.065mol·L-1过硫酸钾混合水溶液，水溶液温度为70℃，氧化时间为40min。
步骤二、步骤一获得的超亲液纳米结构经1wt％氟硅烷乙醇溶液浸泡90min获得超疏液纳米结构。
步骤三、采用纳秒激光定域烧蚀改性步骤二获得的超疏液纳米结构，获得超亲液图案。其中，方形条纹阵列的超亲液图案的深度为0.1mm，单个方形条纹宽度为0.3mm，条纹间距为0.3mm。
步骤四、将步骤三获得的具有超亲液图案的超疏液纳米结构先用润滑液浸润。再将表面垂直浸入水中并静置10-60s后提拉出水面，往复1-10次，使去离子水浸润超亲液图案，进而获得超亲液-超滑图案化表面。其中，润滑液为20cst硅油。
冷凝液在液体润滑层构成的超滑区表面为稳态滴状冷凝，且图案化水膜可约束滴状冷凝液横向生长，并通过毛细力吸收、转移冷凝液。
经实验验证，上述工艺可以获得稳定的铜基超亲液-超滑图案化表面，并且20μL液滴在平行和垂直超亲液方形条纹的滚动角各向异性高达87°，可实现精确、高速液滴导向，可促进滴状冷凝液快速传输脱离冷凝区。
实施例3
本实施例提供一种强化滴状冷凝传热的超亲液-超滑图案化表面，其结构与实施例1相同，区别仅在于：纳米结构为纳米绒毛结构；超亲液图案为楔形条纹阵列。
所述强化滴状冷凝传热的超亲液-超滑图案化表面的加工方法，包括以下步骤：
步骤一、利用纳秒紫外激光烧蚀在不锈钢/铜基底加工超亲液纳米结构。其中，激光功率为3W、激光频率为100kHz、线填充扫描间距为5μm、线扫描速度为500mm/s。
步骤二、步骤一获得的超亲液纳米结构经1wt％氟硅烷乙醇溶液浸泡120min获得超疏液纳米结构。
步骤三、采用纳秒激光定域烧蚀改性步骤二获得的超疏液纳米结构，获得超亲液图案。其中，楔形条纹阵列的超亲液图案的深度为0.3mm，单个楔形条纹的窄端宽度为0.02mm，宽端宽度为0.5mm，楔形夹角为1.0度，条纹间距为0.6mm。
步骤四、将步骤三获得的具有超亲液图案的超疏液纳米结构用去离子水浸润，去离子水驻留超亲液图案处，形成图案化水膜。再用润滑液浸润超疏液纳米结构构建液体润滑层，进而获得超亲液-超滑图案化表面。其中，润滑液为BMI-TFSI离子液、羟基封端硅氧烷、全氟聚醚润滑油Y25/6或硅油，为便于浸润，浸润前，离子液被加热至90℃以降低表面张力。
冷凝液在液体润滑层构成的超滑区表面为稳态滴状冷凝，且图案化水膜可约束滴状冷凝液横向生长，并通过毛细力吸收、转移冷凝液。
经实验验证，上述工艺可以获得具有楔形超亲液图案的铜基超亲液-超滑图案化表面，并且10μL液滴在楔形图案上可实现自驱传输，促进滴状冷凝液快速传输脱离冷凝区。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种强化滴状冷凝传热的超亲液-超滑图案化表面，其特征在于：
包括基底、超疏液纳米结构、液体润滑层、超亲液图案和图案化水膜；
所述超疏液纳米结构为在基体表面加工出的并具有超疏液性能的纳米结构；
所述液体润滑层为润滑液浸润超疏液纳米结构后被超疏液纳米结构锁住的润滑液层；
所述超亲液图案为在超疏液纳米结构中加工出的槽状图案；
超亲液图案的深度为0.01-0.5 mm；
超亲液图案为楔形条纹阵列，单个楔形条纹的窄端宽度为0.01-0.2 mm，宽端宽度0.2-1.0 mm，条纹间距为0.4-2.0 mm，楔形夹角为0.5-4.0度；
所述图案化水膜为通过浸润在超亲液图案上形成的水膜；
液体润滑层与图案化水膜边界清晰、不互溶；
图案化水膜构成超亲液图案区，超疏液纳米结构锁住的液体润滑层构成超滑区；
所述超亲液-超滑图案化表面的加工方法包括以下步骤：
步骤一、利用电化学阳极氧化、碱性氧化或纳秒激光在钛、铜或不锈钢基底加工超亲液纳米结构；
步骤二、步骤一获得的超亲液纳米结构经氟硅烷乙醇溶液浸泡10~120 min获得超疏液纳米结构；
步骤三、采用纳秒激光定域烧蚀改性步骤二获得的超疏液纳米结构，获得超亲液图案；
步骤四、将步骤三获得的具有超亲液图案的超疏液纳米结构用水浸润，水驻留超亲液图案处，形成图案化水膜；再用润滑液浸润超疏液纳米结构构建液体润滑层，进而获得超亲液-超滑图案化表面；
或者，将步骤三获得的具有超亲液图案的超疏液纳米结构先用润滑液浸润；再将表面垂直浸入水中并静置10-60 s后提拉出水面，往复1-10次，使水浸润超亲液图案，进而获得超亲液-超滑图案化表面；
其中，润滑液为离子液、硅油、羟基封端硅氧烷或全氟聚醚润滑油，浸润前，离子液被加热至60-100℃。
2.根据权利要求1所述的强化滴状冷凝传热的超亲液-超滑图案化表面，其特征在于：
所述基底为钛时，采用电化学阳极氧化或纳秒激光烧蚀加工纳米结构；
所述基底为铜时，采用碱性氧化或纳秒激光烧蚀加工纳米结构；
所述基底为不锈钢时，采用纳秒激光烧蚀加工纳米结构。
3.根据权利要求1所述的强化滴状冷凝传热的超亲液-超滑图案化表面，其特征在于：
所述纳米结构经氟硅烷乙醇溶液浸泡形成超疏液纳米结构。
4.根据权利要求1所述的强化滴状冷凝传热的超亲液-超滑图案化表面，其特征在于：
所述超亲液图案采用纳秒激光定域烧蚀在超疏液纳米结构上加工而成。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110386915.0A CN113102200B (zh) | 2021-04-12 | 2021-04-12 | 一种强化滴状冷凝传热的超亲液-超滑图案化表面及其加工方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110386915.0A CN113102200B (zh) | 2021-04-12 | 2021-04-12 | 一种强化滴状冷凝传热的超亲液-超滑图案化表面及其加工方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113102200A CN113102200A (zh) | 2021-07-13 |
| CN113102200B true CN113102200B (zh) | 2022-04-22 |
Family
ID=76715519
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110386915.0A Active CN113102200B (zh) | 2021-04-12 | 2021-04-12 | 一种强化滴状冷凝传热的超亲液-超滑图案化表面及其加工方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113102200B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116907236B (zh) * | 2023-07-28 | 2024-03-22 | 中国船舶集团有限公司第七一九研究所 | 一种蒸汽冷凝装置及冷凝方法 |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8865297B2 (en) * | 2012-06-03 | 2014-10-21 | Massachusetts Institute Of Technology | Heterogeneous surfaces |
| KR101492823B1 (ko) * | 2014-08-06 | 2015-02-23 | 경희대학교 산학협력단 | 미세 라인 패턴을 갖는 물 포집기 |
| CN106865487A (zh) * | 2017-01-10 | 2017-06-20 | 长春理工大学 | 液体注入型超滑表面及其激光精密微加工方法 |
| CN109292730B (zh) * | 2018-09-03 | 2020-07-24 | 山东科技大学 | 一种超滑表面的制备方法 |
| CN109702345A (zh) * | 2018-12-26 | 2019-05-03 | 湖北工业大学 | 一种不锈钢超疏水-超亲水表面及其制备方法和应用 |
| CN110184602A (zh) * | 2019-05-10 | 2019-08-30 | 大连理工大学 | 一种在金属上制备导电自清洁超滑移表面的方法 |
| CN110408933A (zh) * | 2019-07-05 | 2019-11-05 | 南京理工大学 | 一种具有图案化亲/疏水区协同集水的表面及制备方法 |
| CN110614388B (zh) * | 2019-09-25 | 2021-08-13 | 南京航空航天大学 | 一种梯度润湿刀具及其制备方法和应用 |
| CN111964503B (zh) * | 2020-08-26 | 2022-03-25 | 南京航空航天大学 | 一种强化滴状冷凝的三维图案化表面 |
| CN112090710B (zh) * | 2020-09-01 | 2022-09-02 | 安徽大学 | 一种多生物特征启发的“雾水收集”复合双面神膜及其制备方法 |
-
2021
- 2021-04-12 CN CN202110386915.0A patent/CN113102200B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113102200A (zh) | 2021-07-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Xie et al. | Review of critical-heat-flux enhancement methods | |
| Attinger et al. | Surface engineering for phase change heat transfer: A review | |
| Singh et al. | Review of pool and flow boiling heat transfer enhancement through surface modification | |
| Patil et al. | Review of the manufacturing techniques for porous surfaces used in enhanced pool boiling | |
| CN106944165B (zh) | 具有液体自驱动定向输运能力的功能界面及其方法与应用 | |
| CN106892399B (zh) | 一种仿生水汽冷凝与收集结构及其制备方法 | |
| CN113102200B (zh) | 一种强化滴状冷凝传热的超亲液-超滑图案化表面及其加工方法 | |
| CN106604607B (zh) | 一种无吸液芯超薄热管装置 | |
| Zhao et al. | Condensate microdrop self-propelling aluminum surfaces based on controllable fabrication of alumina rod-capped nanopores | |
| CN206818050U (zh) | 一种超疏水冷凝表面 | |
| CN110408933A (zh) | 一种具有图案化亲/疏水区协同集水的表面及制备方法 | |
| Yuan et al. | Approaches and potentials for pool boiling enhancement with superhigh heat flux on responsive smart surfaces: A critical review | |
| Lv et al. | Bioinspired functional SLIPSs and wettability gradient surfaces and their synergistic cooperation and opportunities for enhanced condensate and fluid transport | |
| CN106017174B (zh) | 一种滴状冷凝且自集水的微制冷器及其制造方法 | |
| CN103359684A (zh) | 一种疏水表面、制备方法及其在滴状冷凝传热中的应用 | |
| US20160207083A1 (en) | Liquid-repellent surfaces made of any materials | |
| CN108571913A (zh) | 一种超疏水冷凝表面及其制备方法 | |
| CN105327526B (zh) | 一种用于分离乳化油的不锈钢纤维毡及其改性方法和应用 | |
| CN108950641A (zh) | 一种液态涂层及其制备方法和装置 | |
| CN105887156B (zh) | 高度有序的多孔阳极氧化铝膜的制备方法 | |
| Yan et al. | Unidirectional liquid transportation and selective permeation for oil/water separation on a gradient nanowire structured surface | |
| CN113048824B (zh) | 一种具有多尺度结构协同混合浸润性内表面的环路热管 | |
| CN104212413B (zh) | 一种液体填充多孔硅树脂防覆冰材料及制备方法 | |
| CN111170307A (zh) | 一种纳米碳改性中空活性炭微管及其制备方法与应用 | |
| WO2017161911A1 (zh) | 具有冷凝液滴自驱离功能纳米层的换热器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |