張羽飛, 春 江, 溫榮福, 馬學(xué)虎

超親水微納復(fù)合表面低流率蒸發(fā)液膜鋪展特性

張羽飛, 春 江, 溫榮福, 馬學(xué)虎

(遼寧省化工資源清潔利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 大連理工大學(xué) 化學(xué)工程研究所, 遼寧 大連 116024)

薄液膜在微反應(yīng)器、微接觸器等微過程中都有著重要的應(yīng)用，提升表面毛細(xì)性能是實(shí)現(xiàn)低流量下液膜鋪展的有效方法。制備得到了一種具有內(nèi)部互連通道的微納復(fù)合表面，對于工質(zhì)水表面抽吸系數(shù)高達(dá)16.11 mm×s-0.5。對毛細(xì)抽吸過程進(jìn)行了可視化觀測，結(jié)果表明微納復(fù)合表面內(nèi)部互連的微米級(jí)間隙作為流體的輸運(yùn)通道，可以大幅降低流動(dòng)阻力；并發(fā)現(xiàn)了表面微結(jié)構(gòu)特征對毛細(xì)性能的影響規(guī)律。探究了不同蒸發(fā)狀態(tài)和不同供液量對鋪展比例的影響，發(fā)現(xiàn)微納復(fù)合表面能夠在較低流量下實(shí)現(xiàn)較高的鋪展比例，在0.24 mL×min-1的低供液速率下實(shí)現(xiàn)了7 cm2表面的完全潤濕。這對于設(shè)計(jì)高毛細(xì)抽吸性能表面和研究低流量下液膜流動(dòng)鋪展特性具有重要的意義。

薄液膜；微觀流動(dòng)；毛細(xì)性能；抽吸系數(shù)

1 引 言

薄液膜在微流控制、相變傳熱等過程中都有著廣泛的應(yīng)用[1]。例如，對于微通道內(nèi)的環(huán)狀流強(qiáng)化傳質(zhì)過程[2]，以及電子元器件中薄液膜相變強(qiáng)化傳熱過程[3]等，在低流量下維持穩(wěn)定的薄液膜是實(shí)現(xiàn)過程強(qiáng)化的基礎(chǔ)。高毛細(xì)性能是促進(jìn)液膜在表面上快速鋪展、維持薄液膜穩(wěn)定存在的關(guān)鍵。通過提高表面潤濕性、優(yōu)化表面粗糙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效提高表面毛細(xì)性能[4-5]。

對于粗糙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通常認(rèn)為較小尺度的結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生較大的毛細(xì)力，但同時(shí)流動(dòng)阻力較大[6]，如何綜合考慮這2個(gè)因素是設(shè)計(jì)毛細(xì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵[7]。泡沫金屬[8-9]、燒結(jié)銅網(wǎng)[10]、燒結(jié)銅粉[11]等三維毛細(xì)芯是常見的具有較高抽吸性能的毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)。Seunggeol等[7]在陣列微柱表面覆蓋了一層泡沫金屬，利用陣列微柱的納米級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)提供高毛細(xì)抽吸驅(qū)動(dòng)力，通過泡沫金屬的微米級(jí)通道降低流動(dòng)阻力，在提升傳熱結(jié)構(gòu)毛細(xì)抽吸性能的同時(shí)也顯著增加了固液導(dǎo)熱界面[12]。已有研究報(bào)道了實(shí)現(xiàn)薄液膜的納米表面設(shè)計(jì)，如紫外輻照[15]、碳納米管[16-17]。常見的超親水表面制備方法有氧化刻蝕[18-19]、涂覆涂層[20-21]、電化學(xué)[22-23]等。通過上述制備方法得到的表面結(jié)構(gòu)如納米草、納米花等，結(jié)構(gòu)尺度較單一，抽吸能力有限。采用這樣的結(jié)構(gòu)進(jìn)行薄液膜過程強(qiáng)化，有限的毛細(xì)性能很難維持足夠的工質(zhì)供給，容易出現(xiàn)干斑，極大地限制了毛細(xì)結(jié)構(gòu)過程強(qiáng)化效能。為了克服目前超親水表面毛細(xì)性能有限的問題，研究采用氣泡模板法[24]通過改變特定成分比例的電鍍液、恒定電鍍電壓、不同電鍍時(shí)長等可控條件制備了微納復(fù)合結(jié)構(gòu)表面。其中納米級(jí)結(jié)構(gòu)可以顯著提升毛細(xì)抽吸驅(qū)動(dòng)力，而微米級(jí)間隙作為補(bǔ)液流動(dòng)通道，在保證高毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力的同時(shí)最大限度地降低補(bǔ)液流動(dòng)阻力，進(jìn)而在蒸發(fā)狀態(tài)下高效補(bǔ)液，維持薄液膜穩(wěn)定存在。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法

2.1 微納復(fù)合表面的制備及表征

微納復(fù)合表面(標(biāo)記為SA)的制備過程可以分為2步，即預(yù)處理及電鍍?？紤]到粗糙化處理可以在表面構(gòu)建微米級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)，增大比表面積，并且促進(jìn)后續(xù)的電沉積化學(xué)反應(yīng)，研究采用粗糙化處理作為紫銅基底材料的預(yù)處理方法，并與傳統(tǒng)的拋光處理進(jìn)行對比。具體的處理方式為：首先在10 mm×70 mm的長方形紫銅片表面構(gòu)建微米級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)，然后將表面分別在去離子水、丙酮、乙醇中超聲清洗10 min。

本實(shí)驗(yàn)采用氣泡模板法[24]對預(yù)處理后的紫銅表面進(jìn)行電鍍，電鍍液是物質(zhì)的量濃度比為2:1的硫酸與硫酸銅溶液，電鍍電壓為2.5 V。將清洗并干燥后的紫銅表面連接在直流電源(DH1722A-3)的負(fù)極，會(huì)發(fā)生如下還原反應(yīng)：

氫氣氣泡的核化生長與銅粉顆粒的沉積同時(shí)發(fā)生，氣泡成核位點(diǎn)存在空間位阻，銅粉在氣泡邊緣沉積得到樹突狀結(jié)構(gòu)，氣泡脫落后在成核位點(diǎn)留下微孔。圖1(a)、(b)為以粗糙化為預(yù)處理方法制備的微納復(fù)合表面(R-SA)的SEM照片，從圖中可以看到，表面上存在大量微米級(jí)孔狀結(jié)構(gòu)，這是由納米銅顆粒沉積和氣泡核化同時(shí)作用形成的。圖1(c)、(d)顯示納米銅顆粒沉積形成的樹突狀結(jié)構(gòu)，這種納米級(jí)間隙能夠產(chǎn)生很強(qiáng)的毛細(xì)力(靜態(tài)接觸角接近0°)。樹突狀結(jié)構(gòu)與微孔產(chǎn)生協(xié)同作用，顯著提高了表面毛細(xì)抽吸性能，為薄液膜的穩(wěn)定存在提供了補(bǔ)液支撐。

圖1 掃描電鏡照片

為了探究電鍍時(shí)長對微納復(fù)合表面形貌的影響，制備了電鍍時(shí)長分別為10 s(R-SA1)、60 s(R-SA2)、110 s(R-SA3)、160 s(R-SA4)、210 s(R-SA5)的微納復(fù)合表面，并利用場發(fā)射掃描電鏡觀測其表面相貌變化。圖2(a)～(c)分別為R-SA1、R-SA2、R-SA4的電鏡照片。觀察結(jié)果顯示，電鍍時(shí)間為10 s時(shí)，微孔直徑分布為10～30 μm，底部殘留粗糙化處理產(chǎn)生的粗糙結(jié)構(gòu)；電鍍時(shí)間為60 s時(shí)，最頂部微孔直徑分布為35～75 μm，粗糙化處理的粗糙結(jié)構(gòu)已被樹突狀結(jié)構(gòu)完全覆蓋，微孔底部仍為微孔及樹突狀結(jié)構(gòu)，形成具備內(nèi)部微米級(jí)互連通道的抽吸層；電鍍時(shí)間為160 s的表面最頂部微孔直徑分布在110～150 μm，抽吸層內(nèi)形成更多微米級(jí)互連通道。整個(gè)電鍍過程為層層疊加，最先形成的抽吸層微孔尺寸最小。隨著電鍍時(shí)間的延長，新的抽吸層將原先的結(jié)構(gòu)覆蓋，微孔不斷疊加，形成互連的微米級(jí)內(nèi)部通道。在圖2(d)、(e)中，箭頭表示抽吸過程中的工質(zhì)流動(dòng)方向，虛線為內(nèi)部互連通道。這些微米級(jí)互連通道充斥整個(gè)抽吸層，展現(xiàn)出蜂窩狀的多孔結(jié)構(gòu)，這大大降低了抽吸流動(dòng)阻力，如圖2(f)所示。電鍍時(shí)間越長、頂層微孔直徑越大、抽吸層內(nèi)部的微米級(jí)通道越多。不同電鍍時(shí)長下表面頂層微米級(jí)結(jié)構(gòu)(微孔)尺寸分布如表1所示。

圖2 微納復(fù)合表面形貌照片及結(jié)構(gòu)剖面示意圖

本研究同時(shí)制備了以傳統(tǒng)拋光為預(yù)處理方法的微納復(fù)合表面(P-SA)：分別用#800、#2000、#3000的砂紙對紫銅表面進(jìn)行打磨，超聲清洗后采用氣泡模板法進(jìn)行電鍍。制備的納米線表面(SB)[25]與納米草表面(SC)[26]特征對比見表2，其電鏡照片如圖1(e)～(h)所示。

表1 不同電鍍時(shí)長下表面頂層微米級(jí)孔狀結(jié)構(gòu)尺寸分布

表2 微納復(fù)合表面，納米線表面與納米草表面特征對比

2.2 抽吸特性的測量

圖3 抽吸流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)裝置圖

1. iron stand 2. height controller 3. surface sample 4. reservoir 5. lighter 6. camera 7. computer

另外用micro-PIV系統(tǒng)(LD25-527 PIV)追蹤溶液中的熒光粒子顯示抽吸爬升過程，示蹤粒子為直徑2 μm的羅丹明B顆粒，去離子水和羅丹明B顆粒試劑的體積比為1 500:1。實(shí)驗(yàn)中熒光粒子跟隨表面結(jié)構(gòu)內(nèi)的流體流動(dòng)，高頻激光誘導(dǎo)熒光粒子發(fā)出熒光，并由高速相機(jī)即時(shí)記錄其軌跡，對比微納復(fù)合表面、納米線表面和納米草表面3種表面的抽吸流動(dòng)過程。在乙醇和HFE-7100的實(shí)驗(yàn)中，采用有機(jī)玻璃（PMMA）矩形罩罩在儲(chǔ)液槽和待測樣品上方，形成半密閉的氣室，以降低工質(zhì)揮發(fā)產(chǎn)生的影響。

2.3 蒸發(fā)液膜鋪展實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要分為6部分，如圖4所示。蒸發(fā)室由頂部PMMA蓋板、內(nèi)部加熱套及樣品表面、底部加熱塊和外圍保溫套組成。樣品銅片尺寸為10 mm×80 mm×3 mm，在銅片側(cè)壁有4個(gè)直徑為1.5 mm、深5 mm的圓孔，可分別插入熱電偶。銅片放置在紫銅加熱套的槽內(nèi)，下方為加熱塊，整體置于保溫套中。在樣品一頭進(jìn)行供液，乙醇在蒸發(fā)的狀態(tài)下流動(dòng)鋪展。PMMA透明蓋板一側(cè)開有4個(gè)直徑為3 mm的圓形進(jìn)氣孔(另一側(cè)錯(cuò)列排布5個(gè))用以排空蒸汽。水浴鍋(501A型超級(jí)恒溫器)內(nèi)維持熱水在預(yù)設(shè)溫度，依靠離心泵(HJ-741)和流量計(jì)(LZB-4WB)控制熱水以q=100 mL×min-1的恒定流率流經(jīng)加熱塊。通過熱電偶監(jiān)視加熱塊進(jìn)出熱水溫度變化in、out，通過式(2)、(3)計(jì)算加熱功率和傳熱通量。高速攝像可視化監(jiān)測表面液膜鋪展?jié)櫇袂闆r。

圖4 蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

1. PMMA cover 2. sample surface 3. heating jacket 4. heating block 5.air inlet 6.air outlet 7. thermocouple hole

以乙醇為蒸發(fā)工質(zhì)，通過微量注射器(LSP01-1 BH)供液。在不同初始溫度的熱壁面上通入乙醇，供液速率從0.02 mL×min-1開始，每5 min增加0.02 mL×min-1。NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(NISCXI-1000)記錄樣品各測溫點(diǎn)的溫度1、2、3、4，求平均值作為表面溫度均溫，=(1+2+3+4)/4。溫度測量采用的T型熱電偶均已經(jīng)過了高精度恒溫槽(FLUKE9171, USA) 和標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻(精度為±0.01 ℃)校準(zhǔn)，熱電偶測量誤差為±0.05 ℃。

3 結(jié)果與討論

3.1 毛細(xì)特性對比

首先對比了傳統(tǒng)拋光和粗糙化處理分別作為預(yù)處理方法對微納復(fù)合表面(SA)抽吸系數(shù)的影響。當(dāng)工質(zhì)為水和乙醇時(shí)，抽吸過程中液體可以爬升潤濕整個(gè)表面；而HFE-7100只能潤濕有限高度即達(dá)到平衡。圖5是工質(zhì)為乙醇和水時(shí)，不同微孔直徑下微納復(fù)合表面的抽吸系數(shù)；圖6是工質(zhì)為HFE-7100時(shí)，不

同微孔直徑下的爬升高度。當(dāng)工質(zhì)為水時(shí)，2種預(yù)處理方法能夠產(chǎn)生基本相同的抽吸效果；當(dāng)工質(zhì)為乙醇時(shí)，隨著微孔直徑的增大，以粗糙化為預(yù)處理方法的表面(R-SA)比拋光為預(yù)處理方法的表面(P-SA)的抽吸系數(shù)高；當(dāng)工質(zhì)為HFE-7100時(shí)，R-SA比P-SA爬升高度更大。因此本實(shí)驗(yàn)采用簡單便捷的粗糙化處理作為表面預(yù)處理方法。

圖5 抽吸過程的可視化圖像和抽吸高度隨時(shí)間的變化，不同微孔直徑下表面的抽吸系數(shù)

毛細(xì)力作為抽吸流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，在抽吸過程中克服黏性阻力和重力，促進(jìn)液膜三相線向上鋪展移動(dòng)。液體從儲(chǔ)液槽向上補(bǔ)充，爬升高度越高，液體從底部向三相線處補(bǔ)充流動(dòng)經(jīng)過的路徑就越長，黏性力做功越大，三相線移動(dòng)速度下降，所以三相線的移動(dòng)速度隨著爬升高度的增加而降低。如圖5(c)所示，抽吸高度對時(shí)間平方根的擬合線性度2=0.99。由圖5(d)和表1可見，表面抽吸能力隨著微孔直徑的增加而提升。當(dāng)工質(zhì)為水時(shí)，表面微米級(jí)微孔直徑由10～30 μm增加至150～200 μm，表面抽吸系數(shù)由5.88 mm·s-0.5提升至16.11 mm·s-0.5。如圖7所示，R-SA5表面抽吸系數(shù)為16.11 mm×s-0.5(以水為工質(zhì))，高于納米線SB表面(6.45 mm·s-0.5)和納米草SC表面(1.83 mm×s-0.5)，也高于目前文獻(xiàn)報(bào)道的毛細(xì)結(jié)構(gòu)。

圖6 HFE-7100最大爬升高度可視化圖像及不同微孔尺寸表面上的最大爬升高度

3.2 微納復(fù)合結(jié)構(gòu)提升毛細(xì)性能

通過改變表面微納結(jié)構(gòu)的方法提高表面抽吸系數(shù)，應(yīng)當(dāng)同時(shí)構(gòu)建提升毛細(xì)力的較小尺度結(jié)構(gòu)(納米級(jí))和降低流動(dòng)阻力、提高結(jié)構(gòu)滲透率的較大尺度通道(微米級(jí))。微納復(fù)合表面中相鄰樹突狀結(jié)構(gòu)的間隙分布在幾十納米到幾個(gè)微米不等(表2)，這些廣泛分布的小尺寸間隙能夠產(chǎn)生極大的毛細(xì)力。在一定的毛細(xì)壓力下，流動(dòng)阻力越小，豎直抽吸流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力越大。在微納復(fù)合表面，樹突環(huán)繞的微米級(jí)孔狀結(jié)構(gòu)尺寸在抽吸層不同位置有10～200 μm的廣泛分布(表1)，這些微孔互連形成的微米級(jí)內(nèi)部流動(dòng)通道顯著增加了結(jié)構(gòu)滲透率，降低了抽吸流動(dòng)阻力，從而提高豎直抽吸流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力，提升表面毛細(xì)性能。

圖7 微納復(fù)合表面(R-SA5)、納米線表面(SB)與納米草表面(SC)及目前文獻(xiàn)中的抽吸系數(shù)對比

通過micro-PIV系統(tǒng)分析了豎直抽吸流動(dòng)規(guī)律。記錄相同高度位置的熒光粒子運(yùn)動(dòng)跡線，如圖8所示分別為微納復(fù)合表面、納米線表面與納米草表面的熒光粒子運(yùn)動(dòng)情況。在微納復(fù)合表面，粒子在粗糙結(jié)構(gòu)內(nèi)部的互連通道流動(dòng)時(shí)，相機(jī)觀察不到；當(dāng)粒子從互連通道流出，相機(jī)可以繼續(xù)記錄其運(yùn)動(dòng)軌跡，圖8(a)中虛線區(qū)域?yàn)閮?nèi)部存在互連通道的區(qū)域，該區(qū)域中熒光粒子在內(nèi)部互連通道流動(dòng)，無法被相機(jī)捕捉。對比納米線表面的抽吸流動(dòng)跡線，如圖8(b)所示，熒光粒子發(fā)生更加明顯的繞流，其流動(dòng)通道為表面的V型溝槽。抽吸過程中，相較于微納復(fù)合表面中的微米級(jí)內(nèi)部互連通道，納米線表面的V型溝槽尺寸較小，流動(dòng)阻力較大，因此納米線表面抽吸系數(shù)低于微納復(fù)合表面。而納米草表面的抽吸流動(dòng)不存在熒光粒子，如圖8(c)所示，因?yàn)楸砻鏇]有微米級(jí)流動(dòng)通道，熒光粒子被截留在表面下端。因此納米草表面的抽吸流動(dòng)阻力大，抽吸系數(shù)小。

圖8 微納復(fù)合表面、納米線表面與納米草表面抽吸流動(dòng)過程中熒光粒子的跡線

3.3 蒸發(fā)薄液膜鋪展特性

分別在納米草(見圖9)和微納復(fù)合(見圖10)表面進(jìn)行蒸發(fā)薄液膜鋪展實(shí)驗(yàn)，圖中(a)代表不同供液速率下表面鋪展?fàn)顟B(tài)的可視化照片，其中陰影區(qū)域占整個(gè)表面的比例為鋪展比例。納米草表面毛細(xì)性能較低，當(dāng)供液速率從0.10提升至2.50 mL×min-1，表面僅能以厚液膜的形態(tài)鋪展較小的面積。圖9(b)是初始溫度為47.7 ℃的表面在實(shí)驗(yàn)過程中表面溫度與鋪展比例變化。隨著供液速率的增加，表面鋪展比例逐漸上升，表面溫度緩慢下降。當(dāng)供液速率為0.10 mL×min-1時(shí)，納米草表面鋪展比例為1.0%，表面沒有發(fā)生降溫；而在微納復(fù)合表面的實(shí)驗(yàn)中，如圖10(b)所示，在相同初始溫度(47.7 ℃)的表面上，0.10 mL×min-1的供液速率下表面鋪展比例高達(dá)54.1%，表面溫度為46.1 ℃，實(shí)現(xiàn)了1.6 ℃的降溫(熱通量為1.13 W×cm-2)。綜上，在相同的供液速率下，微納復(fù)合表面可以實(shí)現(xiàn)更大面積的鋪展?jié)櫇?，維持薄液膜蒸發(fā)傳熱；但在低供液速率下，納米結(jié)構(gòu)超親水表面無法實(shí)現(xiàn)高效鋪展，而微納復(fù)合表面因其高毛細(xì)性能可以有效促進(jìn)液膜鋪展，實(shí)現(xiàn)表面完全潤濕。

圖9 納米草表面

圖10 微納復(fù)合表面

如圖10(b)所示，在微納復(fù)合表面上供液速率為0.24 mL×min-1時(shí)表面鋪展比例達(dá)到98.3%，表面溫度達(dá)到最低(45.6 ℃)，實(shí)現(xiàn)了2.1 ℃的降溫；繼續(xù)增大供液速率，發(fā)現(xiàn)表面鋪展比例維持100%，但表面溫度突然上升。這是因?yàn)楸砻嫱耆佌節(jié)櫇窈螅^續(xù)增大流量會(huì)導(dǎo)致表面液膜變厚，液膜形態(tài)逐漸由彎液面較多的薄液膜轉(zhuǎn)變成彎液面較少的厚液膜。蒸發(fā)過程減緩，傳熱效率迅速下降，表面快速升溫。這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)是薄液膜蒸發(fā)過程中的高效蒸發(fā)點(diǎn)，在該供液速率下，表面處于完全鋪展?jié)櫇竦呐R界點(diǎn)。

圖11 不同初始溫度的表面溫度發(fā)生轉(zhuǎn)折對應(yīng)的最低溫度

為了證明這一現(xiàn)象的穩(wěn)定性，在不同初始溫度(49.5、53.5、57.0、59.8、61.7 ℃)的微納復(fù)合表面上進(jìn)行了重復(fù)實(shí)驗(yàn)，所有結(jié)果均顯示表面溫度隨著鋪展比例的升高而降低，并在鋪展比例達(dá)到100% 突然上升。提取溫度降低與陡升的轉(zhuǎn)折點(diǎn)(最低溫度)，如圖11所示，發(fā)現(xiàn)在上述操作條件下，裝置能夠?qū)崿F(xiàn)表面0.6～2.1 ℃的降溫，降溫?cái)?shù)據(jù)柱狀圖旁為各個(gè)最低溫度對應(yīng)的最佳供液量。

4 結(jié) 論

采用電鍍的方法制備了一種微納復(fù)合表面，其中納米級(jí)結(jié)構(gòu)提供毛細(xì)抽吸驅(qū)動(dòng)力，微米級(jí)間隙作為補(bǔ)液流動(dòng)通道，2種結(jié)構(gòu)協(xié)同作用，能夠極大地提升表面毛細(xì)性能。對比該微納復(fù)合結(jié)構(gòu)表面及其他結(jié)構(gòu)表面的抽吸特性及蒸發(fā)薄液膜鋪展特性，主要結(jié)論如下：

(1) 實(shí)驗(yàn)通過可視化觀測直觀證明了構(gòu)建微米級(jí)互連通道可以有效降低流動(dòng)阻力，提高補(bǔ)液性能；當(dāng)表面特征微結(jié)構(gòu)尺寸由10～30 μm增加至150～200 μm時(shí)，表面抽吸系數(shù)由5.88提升至16.11 mm×s-0.5，高于納米線表面6.45 mm×s-0.5和納米草表面1.83 mm×s-0.5；

(2) 實(shí)驗(yàn)探究了不同蒸發(fā)條件下微納復(fù)合表面維持穩(wěn)定薄液膜鋪展?jié)櫇竦淖罴压┮毫?，發(fā)現(xiàn)微納復(fù)合表面能夠在較低流量下實(shí)現(xiàn)較高的鋪展比例。在保證相同的加熱條件及低供液速率(0.24 mL×min-1)前提下，采用微納復(fù)合結(jié)構(gòu)表面可以促進(jìn)工質(zhì)的鋪展?jié)櫇?，?shí)現(xiàn)2.1 ℃的降溫。

cp?比定壓熱容，J×(kg×K)-1W?表面抽吸系數(shù)，mm×s-0.5 h?抽吸爬升高度，mmq?溫度，℃ P?加熱功率，W下標(biāo) Q?熱通量，W×cm-21,2,3,4— 表面測溫點(diǎn)位置標(biāo)識(shí) qV?熱水體積流量，mL×min-1in— 加熱熱水入口 S?傳熱面積，cm2out— 加熱熱水出口 t?抽吸爬升時(shí)間，s

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Spreading characteristics of evaporating liquid film under low flow rate on super-hydrophilic micro-nano composite surface

ZHANG Yu-fei, CHUN Jiang, WEN Rong-fu, MA Xue-hu

(Liaoning Key Laboratory of Clean Utilization of Chemical Resource, Institute of Chemical Engineering,Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

Thin liquid films are widely existed in various areas, such as micro-reactors and micro-contactors. Current research mainly focuses on enhancing interfacial capillary performance to promote liquid film spreading. A super-hydrophilic micro-nano composite surface with internal interconnected channels was prepared, which had a sufficiently high surface wicking coefficient (16.11 mm×s-0.5, water). The capillary wicking process was visually observed. The results reveal that the interconnected micro channels are beneficial to the reduction of fluid flow resistance. Liquid film spreading characteristics were studied during evaporation under low flow rate. 7 cm2surface was completely wetted under low liquid supply rate of 0.24 mL×min-1. The results are helpful for the design of novel materials with high capillary wicking performance at low flow rates.

thin liquid film; microscale flow; capillary performance; wicking coefficient

1003-9015(2022)02-0184-09

TQ013.2

A

10.3969/j.issn.1003-9015.2022.02.005

2021-05-05；

2021-08-08。

國家自然科學(xué)基金(51836002)。

張羽飛(1995-)，男，河南焦作人，大連理工大學(xué)碩士生。

馬學(xué)虎，E-mail：xuehuma@dlut.edu.cn

張羽飛, 春江, 溫榮福, 馬學(xué)虎. 超親水微納復(fù)合表面低流率蒸發(fā)液膜鋪展特性 [J]. 高校化學(xué)工程學(xué)報(bào), 2022, 36(2): 184-192.

：ZHANG Yu-fei, CHUN Jiang, WEN Rong-fu, MA Xue-hu. Evaporating liquid film spreading characteristics at low flow rate on super-hydrophilic micro-nano composite surface[J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2022, 36(2): 184-192.