[发明专利]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

说明书

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。

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 MaterialsInterfaces,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。