第十三届全国表面工程大会暨第十二届全国青年表面工程论坛

376 / 2020-11-04 19:21:54

电荷密度梯度增强快速扫除滴状冷凝液滴的研究

滴状冷凝；电荷密度梯度；超疏水表面；液滴

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摘要:气体通过冷凝转换为液体在自然界十分常见，并且在工业中得到了广泛应用，例如热量传递，湿度控制，集水和防雾。由于固体表面润湿性的差异，冷凝液体在亲水性表面上会形成连续的水膜（膜状冷凝），而在疏水性液滴上形成离散的液滴（滴状冷凝）。与膜状冷凝相比，滴状冷凝液体可以轻松去除，通过增强冷凝效率，提高相变过程的热力学效率。并且，冷凝效率可以通过“扫除”（sweeping）的方式一次性驱除大量的冷凝液滴进一步提升。考虑到冷凝液滴生长的时间尺度，较小的离去尺寸和快速的离去速度在提高冷凝性能中起着至关重要的作用。近来，人们进行了广泛的努力来实现连续清扫以增强冷凝性能，主要集中在引入外部能量输入上，例如重力，表面能梯度，电场梯度，温度梯度。然而，由于在固体表面存在大的接触角滞后或驱动力不足的情况下，实现小的驱离尺寸和快速驱离冷凝液滴仍然值得挑战。

超疏水表面（Superhydrophobic surfaces）因其在液体和固体界面之间存在极小的接触面积而拥有超低的粘附力备受关注。这种特性使表面上的液体具有很高的移动性，这有利于冷凝过程中的液滴动态行为。然而，由于超疏水表面的微纳米结构内的冷凝会引起粘附力的增大，微米级的冷凝液滴驱离是具有挑战性的。在最近的研究报道中，利用冷凝液滴的合并弹跳带电，通过提供外部电场，可以在较小尺寸下实现较小冷凝液滴的去除。但是液滴弹跳概率较低，且只能一次除去单个弹跳液滴。

因此，我们采用在超疏水基板内部应用电荷密度梯度（Charge density gradient），以实现通过自发扫除的方式快速去除冷凝液滴，从而实现高效冷凝。电荷密度梯度通过电晕充电法注入超疏水基板内部，从而在表面上方形成不均匀电场。电荷密度梯度的掺入减小了初始离开尺寸并增加了冷凝液滴的离开速度，因此缩短了离开时间并增加了冷凝刷新频率。在电荷密度梯度驱动模式下的冷凝基板呈现出较小的冷凝液滴平均直径(~45 µm)，较低的表面覆盖率 (~10％)和较大的脱离速率 (~350 µL cm^-2 min^-1)。我们认为，利用电荷密度梯度辅助法，可以使滴状冷凝在热交换器，集水，防雾和防冰等各种应用的取得巨大进展。