劉天慶 孫 瑋 孫相彧 艾宏儒

(大連理工大學(xué)化工學(xué)院,遼寧大連 116024)

超疏水表面微納二級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)冷凝液滴最終狀態(tài)的影響

劉天慶*孫 瑋 孫相彧 艾宏儒

(大連理工大學(xué)化工學(xué)院,遼寧大連 116024)

從超疏水表面(SHS)上初始冷凝液核長(zhǎng)大、合并、形成初始液斑開(kāi)始,分析計(jì)算了冷凝液斑變形成為Wenzel或Cassie液滴過(guò)程中界面能量的變化,并以界面能曲線(xiàn)降低、是否取最小值為判據(jù),確定冷凝液滴的最終穩(wěn)定狀態(tài).計(jì)算結(jié)果表明:在只有微米尺度的粗糙結(jié)構(gòu)表面上,冷凝液滴的界面能曲線(xiàn)一般都是先降低再升高,呈現(xiàn)Wenzel狀態(tài);而當(dāng)表面具有微納米二級(jí)粗糙結(jié)構(gòu),且納米結(jié)構(gòu)的表面空氣面積分率較高時(shí),冷凝液滴的能量曲線(xiàn)持續(xù)降低,直至界面能最小的Cassie狀態(tài),因此可以自發(fā)地形成Cassie液滴.還計(jì)算了文獻(xiàn)中具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的SHS上冷凝液滴的狀態(tài)和接觸角,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較,結(jié)果表明,計(jì)算的冷凝液滴狀態(tài)與實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果完全吻合.因此,微納二級(jí)結(jié)構(gòu)是保持冷凝液滴在SHS上呈現(xiàn)Cassie狀態(tài)的重要因素.

超疏水表面; 微納結(jié)構(gòu); 表面; 界面; 自由能; 冷凝

Abstract：The interface free energy of a local condensate from the growth and combination of numerous initial condensation nuclei was calculated during its shape changes from an early flat shape to a Wenzel or Cassie state on the super-hydrophobic surface(SHS).The final state of the condensed drop was determined according to whether the interface free energy continuously decreased or it had a minimum value.Our calculations indicate that condensation drops on a surface only with micro roughness display Wenzel state because the interface free energy curve of a condensed drop first decreases and then increases,existing a minimum value corresponding to Wenzel drop.On a surface with appropriate hierarchical roughness,however,the interface energy curve of a condensed drop will constantly decline until it reaches the Cassie state.Therefore,a condensed drop on a hierarchical roughness surface can spontaneously reach the Cassie state.In addition,the states and apparent contact angles of condensed drops on a SHS with different structural parameters were calculated and compared with experimental observations.Results show that the calculated condensed drop states agree well with the experimental results.It can be concluded that micro and nano hierarchical roughness is the key structural factor responsible for sustaining condensed drops in the Cassie state on a SHS.

Key Words： Super-hydrophobic surface; Micro and nano hierarchical structure; Surface; Interface; Free energy;Condensation

滴狀冷凝具有很高的傳熱系數(shù),可比常見(jiàn)的膜狀冷凝傳熱系數(shù)高幾十倍.冷凝傳熱在石油化工和發(fā)電等工業(yè)生產(chǎn)中以及空調(diào)和制冷等過(guò)程中被大量采用,如果能在這些過(guò)程中均實(shí)現(xiàn)滴狀冷凝,則必定會(huì)大大減少換熱設(shè)備的面積與尺寸,降低能源消耗,從而帶來(lái)顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益.

滴落在超疏水表面(SHS)上的液滴可以呈現(xiàn)表觀接觸角大于150°,且滾動(dòng)角很小的Cassie形態(tài).這很容易使我們聯(lián)想到蒸氣會(huì)在SHS上形成良好的滴狀冷凝,即SHS應(yīng)該能成為實(shí)現(xiàn)滴狀冷凝的理想表面.

然而現(xiàn)有為數(shù)不多的SHS上冷凝實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻表明,在只有微米粗糙結(jié)構(gòu)的表面上所形成的冷凝液滴往往失去超疏水性[1],液滴一般呈現(xiàn)Wenzel狀態(tài)[2-5]或Wenzel與Cassie的混合狀態(tài)[6-7],滴狀冷凝傳熱效果不理想[8-9].而當(dāng)表面具有微納米尺度二級(jí)結(jié)構(gòu)或只有納米粗糙結(jié)構(gòu)時(shí),冷凝液滴就能夠呈現(xiàn)Cassie狀態(tài)[10-12],并易于滾動(dòng)脫落.

冷凝液滴為什么只有在具有微納二級(jí)結(jié)構(gòu)或納米粗糙結(jié)構(gòu)的表面才能保持超疏水狀態(tài)?冷凝過(guò)程中最初的微小液滴合并后經(jīng)過(guò)怎樣的演變過(guò)程最終形成穩(wěn)定的冷凝液滴?冷凝液滴的最終狀態(tài)與SHS的微納粗糙結(jié)構(gòu)參數(shù)的定量關(guān)系是什么?所有這些問(wèn)題都尚未明確,需要從理論上進(jìn)行分析.為此,本文從液滴界面能量計(jì)算入手,對(duì)冷凝液滴在其形態(tài)改變時(shí)的界面能量變化曲線(xiàn)進(jìn)行計(jì)算,按液滴能量減小并直至達(dá)到極小值為判據(jù),確定各種粗糙結(jié)構(gòu)的SHS上冷凝液滴的最終穩(wěn)定狀態(tài).

在液滴表面自由能計(jì)算方面,已經(jīng)有若干研究者針對(duì)滴落在SHS上尺度較大的液滴進(jìn)行了研究,分析了液滴的表觀接觸角和接觸角滯后[13-17]、液滴呈現(xiàn)的狀態(tài)與轉(zhuǎn)換及其能量勢(shì)壘[13,18-20]、表面結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響[13-21]等問(wèn)題.但所有這些研究均不是針對(duì)冷凝液滴進(jìn)行的,而事實(shí)是冷凝液滴在SHS上的形態(tài)和行為與滴落的液滴行為差異很大,SHS上冷凝形成的液滴行為與其表面自由能的關(guān)系尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道.

1 理論推導(dǎo)

具有微納二級(jí)結(jié)構(gòu)表面上液滴表觀接觸角的計(jì)算公式推導(dǎo)如下.以圖1所示的長(zhǎng)方體微納米粗糙結(jié)構(gòu)為例,首先定義以下參數(shù),

Cassie粗糙系數(shù):

式中f、fn分別是SHS微、納米結(jié)構(gòu)凸起肋固體所占的投影面積分率;r、rn分別是微、納米結(jié)構(gòu)實(shí)際面積與投影面積之比;l、ln分別為微、納米結(jié)構(gòu)凸起肋間空隙寬度;L、Ln分別為微、納米結(jié)構(gòu)凸起肋間距;H、Hn分別是微、納米結(jié)構(gòu)凸起肋高度.

(1)Cassie或Cassie與Wenzel中間狀態(tài)的液滴

如圖2(a)所示,具有微納二級(jí)結(jié)構(gòu)SHS上的液滴根部與微米凸起肋上部及部分側(cè)面上的納米尺度凸起固相相接觸,其余部分均與氣體接觸.按照分析微米尺度上液滴界面能[13]相似的方法,在現(xiàn)在的微納二級(jí)結(jié)構(gòu)表面上選定不變投影面積Atotal,則Atotal內(nèi)包括某個(gè)液滴的總界面能為

式中Esurf是選定系統(tǒng)的總界面能,Eext為液滴上方外表面的氣-液界面能,Ebase是液滴底部所包括的各種界面能,而E(Atotal-Abase)是液滴以外的固-氣界面能,其中液滴上方外表面的氣液界面能為

其中Aext是液滴上部的外表面積,σlg為氣-液界面張力.液滴底部所包括的各種界面能為

其中Abase是液滴底部的投影面積,σsl、σsg分別為固-液和固-氣界面張力,h是液滴嵌入SHS微米結(jié)構(gòu)凸起肋間的深度.液滴以外的固氣界面能為

整理以上各種界面能后可以得到總界面能為

其中

式中θn為液滴在納米表面上的表觀接觸角,而θ0是其在光滑表面的本征接觸角.式(5)可以整理成

其中非潤(rùn)濕狀態(tài)系數(shù)Ccomp為

再將液滴外表面積和底面積表達(dá)成液滴體積V與表觀接觸角θ的關(guān)系:

代入界面能表達(dá)式(6):

對(duì)cosθ求導(dǎo)并取極值可以獲得對(duì)應(yīng)的液滴能量最小時(shí)的表觀接觸角為

可見(jiàn),只需將只有微米結(jié)構(gòu)的Cassie或Cassie與Wenzel的中間狀態(tài)方程中的θ0一項(xiàng)換成納米表面的表觀接觸角θn,就成為微納二級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)的表觀接觸角方程.

(2)Wenzel狀態(tài)的液滴

如圖2(b)所示,液滴根部與全部微米尺度的肋表面接觸,在納米尺度上液體只與納米凸起肋的上部固相相接觸,而不能進(jìn)入納米凸起肋的內(nèi)部,即液滴在納米粗糙結(jié)構(gòu)上永遠(yuǎn)呈Cassie狀態(tài).

此時(shí)液滴底部所包括的各種界面能為

或者:

液滴上方外表面和液滴以外固氣界面的界面能同上.于是,整理各種界面能后可以得到總界面能為

其中潤(rùn)濕狀態(tài)系數(shù)CWenzel為

類(lèi)似前面的分析,將液滴外表面積和底面積表達(dá)成液滴體積與接觸角的關(guān)系并代入界面能表達(dá)式中,并對(duì)cosθ求導(dǎo)和取極值可以獲得對(duì)應(yīng)的液滴能量最小時(shí)的表觀接觸角為

可見(jiàn),只需將只有微米結(jié)構(gòu)的Wenzel方程中的θ0一項(xiàng)換成納米表面的表觀接觸角θn,就成為具有微納二級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)的Wenzel表觀接觸角方程.

2 超疏水表面冷凝液滴變形過(guò)程的能量分析

SHS上冷凝液滴的形成過(guò)程如圖3所示.初始形成的納米尺度微小液滴長(zhǎng)大到液滴臨界尺度后開(kāi)始合并,眾多小液滴合并的結(jié)果將在SHS部分區(qū)域填滿(mǎn)微米結(jié)構(gòu)的凹陷處,形成上部較為平緩的冷凝液滴斑[1-2].冷凝液的這種狀態(tài)能量較高,將會(huì)自發(fā)的向Wenzel或Cassie狀態(tài)變化.但是具體向哪種狀態(tài)變化,需要根據(jù)液滴能量的計(jì)算進(jìn)行判斷,即液滴形態(tài)將向其能量減小的方向改變,并當(dāng)液滴能量降低至極值時(shí)即為液滴的最終穩(wěn)定狀態(tài).

圖3(d)所示的初期冷凝液斑向Wenzel和Cassie狀態(tài)變化可以通過(guò)不斷減小液滴底半徑的方式進(jìn)行,如果液滴底半徑減小到某一數(shù)值時(shí)其能量到達(dá)極小值,這時(shí)液滴所呈現(xiàn)的Wenzel狀態(tài)就是冷凝液滴的最終狀態(tài);如果在液滴半徑減小的過(guò)程中其能量持續(xù)降低,直到Cassie狀態(tài),那么液滴的最終狀態(tài)就是Cassie狀態(tài).

初期冷凝液斑或Wenzel液滴向Cassie狀態(tài)轉(zhuǎn)變的另一途徑是液滴底半徑不變、但液滴根部離開(kāi)超疏水微米結(jié)構(gòu)的底部并向上移動(dòng).但是文獻(xiàn)[20]及本文的計(jì)算結(jié)果均表明,液滴根部在離開(kāi)表面底部時(shí)其能量會(huì)突然升高,形成能壘,不會(huì)自發(fā)地通過(guò)這種途徑變成Cassie狀態(tài).因此本文以下主要計(jì)算了液滴底半徑減小的過(guò)程中其能量的變化.

不同狀態(tài)時(shí)冷凝液滴能量的計(jì)算公式Cassie狀態(tài)為式(6),Wenzel狀態(tài)為式(14),冷凝液斑尚未填滿(mǎn)微米凸起肋空間時(shí):

式中4/(L-l)的意義為微米凸起肋的周長(zhǎng)與其截面積之比,只需將其它幾何形狀凸起肋的f、r、周長(zhǎng)和截面積比等參數(shù)代入,就可以獲得其它幾何形狀SHS液滴相關(guān)界面能的計(jì)算公式.

SHS不同的微納二級(jí)結(jié)構(gòu)參數(shù)下冷凝液滴典型的能量變化曲線(xiàn)如圖4所示(以液斑初始狀態(tài)為基準(zhǔn)計(jì)算自由能差).本文是針對(duì)初期冷凝液斑只占滿(mǎn)80%微米肋溝的條件下做的計(jì)算,因此,在液滴底半徑減小、液位上升的過(guò)程中其能量一開(kāi)始在不斷減小,但當(dāng)液滴上表面漫過(guò)凸起肋上表面時(shí),其能量會(huì)有不同程度的突然增加.然而,對(duì)于實(shí)際的冷凝過(guò)程,液斑并不需要克服這個(gè)能壘,因?yàn)槔淠诓粩喟l(fā)生,即使初始液斑沒(méi)有占滿(mǎn)肋溝,也會(huì)由于冷凝液的不斷形成而填滿(mǎn)整個(gè)凸起肋.因此我們只需要考慮在液斑填滿(mǎn)整個(gè)凸起肋高度以后液滴的形態(tài)和能量的變化.

從圖4可以看出,在冷凝液斑充滿(mǎn)凸起肋以后,液滴的能量就開(kāi)始不斷下降,在很多參數(shù)條件下,液滴能量會(huì)在某一液滴底半徑時(shí)不再下降,而在某些參數(shù)條件下,液滴能量會(huì)持續(xù)下降,直至底半徑為0的Cassie狀態(tài).總體上看,SHS的微納米結(jié)構(gòu)對(duì)液滴能量有明顯影響,微米凸起肋之間的距離越小,液滴能量變化越明顯,液滴越容易形成Cassie狀態(tài);而隨著納米凸起肋間距的增大,液滴能量在減小,液滴也更容易轉(zhuǎn)變成Cassie狀態(tài).

其它結(jié)構(gòu)參數(shù)和液滴體積時(shí)的冷凝液滴能量變化曲線(xiàn)規(guī)律類(lèi)似.

3 超疏水表面冷凝液滴最終狀態(tài)的分析

根據(jù)以上液滴在不同狀態(tài)時(shí)的能量曲線(xiàn),可以確定液滴最終的穩(wěn)定狀態(tài):在液滴底半徑減少的過(guò)程中如果其能量持續(xù)降低,或者能量曲線(xiàn)的斜率一直大于0,則該液滴最終呈Cassie狀態(tài);否則,在能量曲線(xiàn)的斜率出現(xiàn)0值時(shí)所對(duì)應(yīng)的液滴為Wenzel狀態(tài).在確定了液滴的最終狀態(tài)的同時(shí),其接觸角等參數(shù)也同時(shí)獲得.

按照以上方法,本文對(duì)具有不同微納尺度結(jié)構(gòu)參數(shù)的疏水表面上冷凝液滴的最終狀態(tài)和相應(yīng)的接觸角進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果分別如圖5的(A1)-(A3)和(B1)-(B3)所示.可見(jiàn),當(dāng)ln為0或很小時(shí),即疏水表面沒(méi)有納米二級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí),冷凝液滴需要在較小的l/L或較大的H值條件下才能成為Cassie狀態(tài),并且這時(shí)的接觸角均小于150°,因此液滴雖然呈Cassie狀態(tài),但并非屬超疏水液滴.隨著ln的增加,即疏水表面的納米二級(jí)結(jié)構(gòu)越來(lái)越明顯時(shí),冷凝液滴更容易呈Cassie狀態(tài),并且相應(yīng)的接觸角在不斷增加.為了表達(dá)冷凝液滴呈Cassie并且為超疏水狀態(tài),本文又計(jì)算了能同時(shí)滿(mǎn)足Cassie條件和接觸角大于等于150°時(shí)所需的表面粗糙結(jié)構(gòu)參數(shù),如圖5的(C1)-(C3)所示.因此,當(dāng)表面具有明顯的微納二級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)時(shí),冷凝液滴容易成為超疏水狀態(tài)的Cassie液滴.而當(dāng)沒(méi)有納米結(jié)構(gòu)時(shí),只有當(dāng)H很大、適宜的l/L取值范圍之內(nèi)的條件下,冷凝液滴才能呈現(xiàn)超疏水的Cassie狀態(tài).

從圖5還可以發(fā)現(xiàn)另一項(xiàng)有趣的計(jì)算結(jié)果,出現(xiàn)在l/L較大的情況下,此時(shí)無(wú)論表面是否具有納米二級(jí)結(jié)構(gòu),冷凝液滴都呈現(xiàn)Wenzel狀態(tài),并且接觸角較小,特別是在ln/Ln也較小的條件下,表觀接觸角可以小到低于本征接觸角的程度.眾所周知,在本征接觸角大于90°的條件下,粗糙表面上Wenzel液滴的表觀接觸角按照Wenzel方程不可能小于本征接觸角,但是本計(jì)算卻揭示冷凝所形成的液滴其最終狀態(tài)有可能完全不符合Wenzel公式,這時(shí)的液滴接觸角低于Wenzel方程所確定的數(shù)值.原因在于在冷凝液滴的尺度下(100 μm左右),超疏水微米粗糙結(jié)構(gòu)內(nèi)的水體積相對(duì)于整個(gè)液滴體積已經(jīng)不可忽略,因此,Wenzel方程不再適用于尺度很小的冷凝液滴.

本文對(duì)文獻(xiàn)報(bào)道的SHS上的冷凝液滴狀態(tài)和接觸角進(jìn)行了計(jì)算并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,如表1所示.可見(jiàn)本文所計(jì)算的冷凝液滴形態(tài)與所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果都吻合.首先僅有的三篇具有微納二級(jí)結(jié)構(gòu)或只有納米結(jié)構(gòu)的表面上的冷凝實(shí)驗(yàn)都表明[10-12],微納米結(jié)構(gòu)表面上冷凝形成的液滴能呈現(xiàn)易于滾落的Cassie液滴,而本計(jì)算也表明,表面具有適宜微納米二級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí),冷凝液滴易于形成接觸角大于150°的Cassie狀態(tài).此外,文獻(xiàn)[6-7]均觀察到同一表面上可以形成Wenzel和Cassie兩種液滴或混合型液滴.本計(jì)算結(jié)果表明在所觀察的冷凝液滴尺度范圍內(nèi),較小的液滴呈現(xiàn)Wenzel狀態(tài),而相對(duì)較大的液滴則可能呈現(xiàn)Cassie狀態(tài),于是表面上確有可能形成兩種形態(tài)的液滴.對(duì)于文獻(xiàn)[1-3]的表面結(jié)構(gòu)參數(shù),則對(duì)各種液滴體積其形態(tài)均為Wenzel狀態(tài),計(jì)算結(jié)果也與實(shí)測(cè)情況完全符合.

關(guān)于接觸角,有兩篇文獻(xiàn)的實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果不符合.其中文獻(xiàn)[7]對(duì)于較大液滴(體積在μL)的實(shí)測(cè)接觸角遠(yuǎn)低于本文的計(jì)算結(jié)果或Wenzel公式.在液滴尺度較大時(shí),液滴根部在凸起肋間的液體體積可以忽略,此時(shí)液滴的接觸角應(yīng)該符合Wenzel方程,并且當(dāng)表面材料的本征接觸角大于90°時(shí),表觀接觸角不可能低于本征接觸角.文獻(xiàn)[7]給出的本征接觸角為117.3°,但是其所測(cè)量的表觀接觸角都小于該數(shù)值,這是難以解釋的.除非冷凝實(shí)驗(yàn)過(guò)程中表面上的疏水涂層被破壞,而該文獻(xiàn)并沒(méi)有說(shuō)明冷凝實(shí)驗(yàn)后其表面的本征接觸角是否改變.另一方面,文獻(xiàn)[3]所報(bào)道的接觸角都明顯高于本計(jì)算值或Wenzel公式對(duì)應(yīng)的接觸角.經(jīng)過(guò)仔細(xì)觀察該文獻(xiàn)的冷凝液滴照片,我們發(fā)現(xiàn)他們所形成的冷凝液滴底部半徑都非常小,所覆蓋的凸起肋個(gè)數(shù)只有幾個(gè),而且接觸角大的液滴下部的凸起肋個(gè)數(shù)都是最多的,其實(shí)照片上也有很多接觸角較小的液滴,只是他們沒(méi)有測(cè)量而已.事實(shí)上,當(dāng)液滴小到其下部只覆蓋幾個(gè)凸起肋時(shí),液滴的接觸角將對(duì)其所在的具體位置非常敏感,當(dāng)液滴根部大部分位于凸起肋間時(shí),接觸角將會(huì)較小,而根部大部分位于凸起肋之上時(shí),接觸角將會(huì)較大.本文的計(jì)算模型只適用于液滴根部覆蓋的凸起肋數(shù)目較多的情況.

表1 超疏水表面上冷凝液滴狀態(tài)的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較Table 1 Comparison of calculated condensed drop states on SHS with experimental results

本計(jì)算沒(méi)有考慮液滴變形過(guò)程中三相線(xiàn)經(jīng)過(guò)微米尺度凸起肋時(shí)界面自由能的微小波動(dòng)[14-17].Yamamoto等[14]的計(jì)算結(jié)果表明,該波動(dòng)能量的數(shù)量級(jí)為10-10J或更低,而本文計(jì)算的液滴變化過(guò)程中的界面能數(shù)量級(jí)在10-8J.因此,三相線(xiàn)經(jīng)過(guò)凸起肋引起的能量波動(dòng)可以忽略不計(jì),因?yàn)槲⑿〉恼饎?dòng)能量或液滴變形的慣性就可以克服這個(gè)能量波動(dòng)造成的微小能壘.而且當(dāng)表面上有納米二級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)以后,這種能量波動(dòng)將會(huì)變得更小.此外,由于冷凝液滴的體積非常小,液滴的重力可以忽略不計(jì),因此本計(jì)算也沒(méi)有考慮液滴的重力勢(shì)能.

另外,本文的計(jì)算結(jié)果表明,具有適宜微納二級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)的SHS上的冷凝液滴可以自發(fā)地從Wenzel狀態(tài)變成Cassie狀態(tài).Zheng等[22]在原位觀測(cè)荷葉上的冷凝液滴行為時(shí)發(fā)現(xiàn),Wenzel態(tài)的冷凝液滴會(huì)從乳突根部向上遷移形成Cassie狀態(tài),他們把這種遷移歸結(jié)為荷葉乳突表面存在“潤(rùn)濕梯度”,即乳突根部更不潤(rùn)濕,而乳突上部相對(duì)潤(rùn)濕,從而造成推動(dòng)力.但是乳突表面的這種“潤(rùn)濕梯度”是否存在尚未被證明.本計(jì)算表明,荷葉上具有的微納二級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)可以自發(fā)地使Wenzel狀態(tài)的液滴向Cassie狀態(tài)的液滴轉(zhuǎn)變,并不需要這種“潤(rùn)濕梯度”帶來(lái)的推動(dòng)力.

最后,本文就SHS上理想的滴狀冷凝過(guò)程進(jìn)行如下描述:初始冷凝液核在微米粗糙結(jié)構(gòu)內(nèi)到處都形成,液核長(zhǎng)大后進(jìn)行不斷的合并直至冷凝液充滿(mǎn)微米粗糙面的部分區(qū)域形成冷凝液斑,其體積一般在0.1-1.0 nL,液斑進(jìn)而開(kāi)始收縮底半徑向Wenzel狀態(tài)變化并變成Cassie狀態(tài)液滴,最后Cassie狀態(tài)液滴滾落脫離壁面.這個(gè)過(guò)程非?？?并且表面上有無(wú)數(shù)個(gè)這樣的液滴形成和脫落,從而大大強(qiáng)化冷凝傳熱過(guò)程.文獻(xiàn)[23]為了實(shí)現(xiàn)Cassie狀態(tài)的冷凝液滴,采用控制凸起肋上端面較為潤(rùn)濕而凸起肋側(cè)面和底面不潤(rùn)濕的策略,使得冷凝液滴只在凸起肋上部形成.但是這種方法只利用了粗糙表面的少部分面積,而沒(méi)有充分利用所有的冷凝表面,因此冷凝傳熱速率將受到抑制.

4 結(jié) 論

(1)在具有微納二級(jí)尺度的SHS上,較大尺度液滴的表觀接觸角仍服從Cassie或Wenzel公式,只需將原來(lái)的本征接觸角換成納米結(jié)構(gòu)表面上液滴的表觀接觸角.

(2)SHS上初始冷凝的微小液滴在微尺度結(jié)構(gòu)內(nèi)部合并并充滿(mǎn)微結(jié)構(gòu)高度后,將沿著液滴底半徑減小、液滴能量降低的方向變化,當(dāng)液滴能量不再降低時(shí)就是液滴的最終穩(wěn)定狀態(tài),可能是Wenzel也可以是Cassie狀態(tài),取決于表面的微納米結(jié)構(gòu)特征.

(3)在只有微米尺度粗糙結(jié)構(gòu)的表面上,冷凝液滴很難形成接觸角高于150°的Cassie狀態(tài),只有當(dāng)表面具有微納米二級(jí)粗糙結(jié)構(gòu),且納米結(jié)構(gòu)的表面空氣面積分率較高時(shí),冷凝液滴才能成為超疏水狀態(tài).

(4)SHS上的冷凝液滴由于尺度較小,Wenzel狀態(tài)的液滴在其底部粗糙結(jié)構(gòu)內(nèi)的液體體積已經(jīng)不可忽略,因此,Wenzel狀態(tài)的冷凝液滴不再符合Wenzel方程.

(5)表面的微納米粗糙結(jié)構(gòu)對(duì)于冷凝液滴的最終狀態(tài)、接觸角、滾動(dòng)和脫落等均具有重要影響,需要適宜設(shè)計(jì)SHS的微納米二級(jí)粗糙結(jié)構(gòu),才能實(shí)現(xiàn)理想的滴狀冷凝過(guò)程.

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Effect of Hierarchical Architecture of Super-Hydrophobic Surface on the Condensed Drop′s Final State

LIU Tian-Qing*SUN Wei SUN Xiang-Yu AI Hong-Ru
(School of Chemical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,Liaoning Province,P.R.China)

O647

Received:April 29,2010;Revised:July 6,2010;Published on Web:September 13,2010.

*Corresponding author.Email:liutq@dlut.edu.cn;Tel:+86-4111-84706360.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(50876015).

國(guó)家自然科學(xué)基金(50876015)資助項(xiàng)目