隨著(zhu)微(wei)電(dian)子機(ji)械系(xi)統(MEMS)的(de)迅猛發展，機(ji)械設(she)備的(de)尺寸不(bu)斷減小，固液(ye)界面(mian)相互作(zuo)用顯著(zhu)影響微(wei)流(liu)(liu)(liu)體機(ji)械的(de)性能(neng)。此外，微(wei)電(dian)子器件的(de)小型(xing)化(hua)(hua)，使裝置(zhi)的(de)熱流(liu)(liu)(liu)密(mi)度顯著(zhu)增加，微(wei)小型(xing)設(she)備的(de)散(san)熱問題面(mian)臨嚴峻挑(tiao)戰。微(wei)納(na)米結(jie)構(gou)(gou)超(chao)(chao)疏(shu)(shu)水(shui)(shui)表(biao)面(mian)能(neng)夠(gou)調控(kong)液(ye)滴(di)(di)動力(li)學行為(wei)，強化(hua)(hua)滴(di)(di)狀冷凝(ning)換(huan)熱，有利(li)于提高(gao)微(wei)流(liu)(liu)(liu)體機(ji)械的(de)性能(neng)，并為(wei)換(huan)熱設(she)備的(de)小型(xing)化(hua)(hua)和(he)高(gao)熱流(liu)(liu)(liu)密(mi)度裝置(zhi)熱管理系(xi)統性能(neng)的(de)提升提供了新途徑。基(ji)于此背景，本文系(xi)統地研(yan)究了微(wei)納(na)米結(jie)構(gou)(gou)超(chao)(chao)疏(shu)(shu)水(shui)(shui)表(biao)面(mian)液(ye)滴(di)(di)動力(li)學行為(wei)與(yu)冷凝(ning)換(huan)熱特性，主要內(nei)容包括:微(wei)納(na)米結(jie)構(gou)(gou)疏(shu)(shu)水(shui)(shui)與(yu)超(chao)(chao)疏(shu)(shu)水(shui)(shui)表(biao)面(mian)的(de)制備及(ji)潤濕性表(biao)征、層級微(wei)槽(cao)(cao)超(chao)(chao)疏(shu)(shu)水(shui)(shui)表(biao)面(mian)液(ye)滴(di)(di)合并彈跳行為(wei)、微(wei)納(na)米結(jie)構(gou)(gou)超(chao)(chao)疏(shu)(shu)水(shui)(shui)表(biao)面(mian)低濃度乙醇溶液(ye)液(ye)滴(di)(di)合并彈跳行為(wei)以及(ji)微(wei)槽(cao)(cao)疏(shu)(shu)水(shui)(shui)與(yu)層級微(wei)槽(cao)(cao)超(chao)(chao)疏(shu)(shu)水(shui)(shui)表(biao)面(mian)蒸汽冷凝(ning)換(huan)熱特性。

本文分別制備了(le)(le)層(ceng)級微(wei)槽超(chao)(chao)(chao)疏(shu)水(shui)(shui)(shui)、CuO納(na)米(mi)結(jie)構(gou)超(chao)(chao)(chao)疏(shu)水(shui)(shui)(shui)、微(wei)槽疏(shu)水(shui)(shui)(shui)和(he)光滑(hua)疏(shu)水(shui)(shui)(shui)表(biao)面(mian)，并(bing)(bing)表(biao)征了(le)(le)所有(you)制備表(biao)面(mian)的(de)(de)(de)潤濕性。結(jie)果表(biao)明(ming)，液(ye)滴在層(ceng)級微(wei)槽結(jie)構(gou)和(he)CuO納(na)米(mi)結(jie)構(gou)的(de)(de)(de)超(chao)(chao)(chao)疏(shu)水(shui)(shui)(shui)表(biao)面(mian)呈(cheng)現(xian)穩定(ding)的(de)(de)(de)Cassie潤濕態(tai)，而在微(wei)槽疏(shu)水(shui)(shui)(shui)表(biao)面(mian)的(de)(de)(de)Cassie潤濕態(tai)不穩定(ding)。槽道(dao)結(jie)構(gou)阻礙了(le)(le)液(ye)滴的(de)(de)(de)橫向潤濕，導致微(wei)槽疏(shu)水(shui)(shui)(shui)和(he)層(ceng)級微(wei)槽超(chao)(chao)(chao)疏(shu)水(shui)(shui)(shui)表(biao)面(mian)呈(cheng)現(xian)各(ge)向異性潤濕性，垂直槽道(dao)方向的(de)(de)(de)接(jie)觸角大(da)于沿槽道(dao)方向的(de)(de)(de)接(jie)觸角。為了(le)(le)探究微(wei)槽結(jie)構(gou)對液(ye)滴合并(bing)(bing)彈跳過(guo)程流(liu)體(ti)力學的(de)(de)(de)調控機制，本文搭建(jian)了(le)(le)液(ye)滴合并(bing)(bing)彈跳可視化實驗(yan)系統(tong)，研究并(bing)(bing)比較了(le)(le)層(ceng)級微(wei)槽超(chao)(chao)(chao)疏(shu)水(shui)(shui)(shui)與平超(chao)(chao)(chao)疏(shu)水(shui)(shui)(shui)表(biao)面(mian)的(de)(de)(de)液(ye)滴合并(bing)(bing)彈跳行為。

研究發現，具(ju)有(you)空間限制(zhi)效應(ying)的微槽結構對液(ye)(ye)(ye)滴(di)合并的流體力(li)學調控起著(zhu)關鍵作用。在(zai)層級微槽超(chao)疏水表(biao)(biao)面(mian)，槽內變形(xing)液(ye)(ye)(ye)滴(di)在(zai)Laplace壓力(li)差驅動下實現自彈跳(tiao)，釋放的表(biao)(biao)面(mian)能(neng)向動能(neng)的轉(zhuan)(zhuan)化率(lv)約為8%。槽內變形(xing)液(ye)(ye)(ye)滴(di)和槽外非變形(xing)液(ye)(ye)(ye)滴(di)合并彈跳(tiao)的能(neng)量轉(zhuan)(zhuan)化率(lv)高(gao)達46%，比平超(chao)疏水表(biao)(biao)面(mian)的液(ye)(ye)(ye)滴(di)合并彈跳(tiao)高(gao)出7.2倍，表(biao)(biao)明液(ye)(ye)(ye)滴(di)合并彈跳(tiao)速度(du)和能(neng)量轉(zhuan)(zhuan)化率(lv)的提升取決于(yu)液(ye)(ye)(ye)滴(di)表(biao)(biao)面(mian)曲率(lv)和集(ji)中于(yu)彈跳(tiao)方向的動量。

此外，本(ben)(ben)研究(jiu)證實了(le)(le)(le)(le)液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)間(jian)凸出的(de)(de)(de)微(wei)結構能(neng)夠通過對(dui)液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)內(nei)(nei)部動量(liang)的(de)(de)(de)重新定向強化(hua)(hua)(hua)液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)合(he)并(bing)彈(dan)跳(tiao)(tiao)(tiao)性能(neng)；而液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)間(jian)的(de)(de)(de)凹槽(cao)結構弱化(hua)(hua)(hua)了(le)(le)(le)(le)合(he)并(bing)液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)與表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)的(de)(de)(de)撞擊效應(ying)，導(dao)致液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)合(he)并(bing)彈(dan)跳(tiao)(tiao)(tiao)性能(neng)惡化(hua)(hua)(hua)。為(wei)了(le)(le)(le)(le)明確液(ye)(ye)(ye)體(ti)(ti)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)張(zhang)力對(dui)不(bu)同微(wei)納米結構超(chao)疏(shu)水(shui)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)合(he)并(bing)彈(dan)跳(tiao)(tiao)(tiao)的(de)(de)(de)影(ying)(ying)響(xiang)，本(ben)(ben)文研究(jiu)并(bing)比較(jiao)了(le)(le)(le)(le)去離子水(shui)、質量(liang)分數(shu)為(wei)8%和(he)16%的(de)(de)(de)低濃(nong)度(du)乙醇溶(rong)(rong)液(ye)(ye)(ye)液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)在(zai)平超(chao)疏(shu)水(shui)和(he)層級微(wei)槽(cao)超(chao)疏(shu)水(shui)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)的(de)(de)(de)合(he)并(bing)彈(dan)跳(tiao)(tiao)(tiao)行為(wei)。結果顯示(shi)，表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)張(zhang)力大于40 m N/m且粘度(du)小(xiao)于2 m Pa·s的(de)(de)(de)低濃(nong)度(du)乙醇溶(rong)(rong)液(ye)(ye)(ye)液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)在(zai)平超(chao)疏(shu)水(shui)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)的(de)(de)(de)合(he)并(bing)彈(dan)跳(tiao)(tiao)(tiao)由慣(guan)性效應(ying)主導(dao)，粘性效應(ying)的(de)(de)(de)影(ying)(ying)響(xiang)可以忽略。液(ye)(ye)(ye)體(ti)(ti)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)張(zhang)力的(de)(de)(de)減(jian)小(xiao)僅導(dao)致液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)合(he)并(bing)彈(dan)跳(tiao)(tiao)(tiao)速度(du)的(de)(de)(de)減(jian)小(xiao)，能(neng)量(liang)轉化(hua)(hua)(hua)率基本(ben)(ben)不(bu)變(bian)(bian)，維持在(zai)5.6%～6%之間(jian)。在(zai)層級微(wei)槽(cao)超(chao)疏(shu)水(shui)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)，液(ye)(ye)(ye)體(ti)(ti)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)張(zhang)力減(jian)小(xiao)引起(qi)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)對(dui)液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)的(de)(de)(de)粘附(fu)效應(ying)增(zeng)強，使槽(cao)內(nei)(nei)變(bian)(bian)形(xing)的(de)(de)(de)低濃(nong)度(du)乙醇溶(rong)(rong)液(ye)(ye)(ye)液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)無法自彈(dan)跳(tiao)(tiao)(tiao)，而是在(zai)Laplace壓力差驅動下自發(fa)爬(pa)升，并(bing)懸浮于槽(cao)道上方。增(zeng)強的(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)粘附(fu)改變(bian)(bian)了(le)(le)(le)(le)低濃(nong)度(du)乙醇溶(rong)(rong)液(ye)(ye)(ye)液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)合(he)并(bing)過程的(de)(de)(de)形(xing)態演變(bian)(bian)，影(ying)(ying)響(xiang)了(le)(le)(le)(le)其內(nei)(nei)部動量(liang)的(de)(de)(de)傳(chuan)遞，導(dao)致液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)合(he)并(bing)彈(dan)跳(tiao)(tiao)(tiao)速度(du)和(he)能(neng)量(liang)轉化(hua)(hua)(hua)率降低。

隨液體表(biao)面(mian)(mian)張力的(de)減小，受限微槽(cao)結(jie)構和液滴(di)間(jian)凸起的(de)微結(jie)構對液滴(di)合并彈(dan)跳(tiao)性(xing)能(neng)的(de)強化作用減弱，而(er)凹槽(cao)結(jie)構對液滴(di)合并彈(dan)跳(tiao)性(xing)能(neng)的(de)弱化作用增強。在(zai)上述研(yan)(yan)究的(de)基礎上，本(ben)文搭建了蒸汽冷(leng)(leng)凝(ning)可(ke)視化實驗系統，研(yan)(yan)究了光滑(hua)疏水以(yi)及不同槽(cao)道方向(xiang)的(de)微槽(cao)疏水和層(ceng)級微槽(cao)超(chao)疏水表(biao)面(mian)(mian)的(de)冷(leng)(leng)凝(ning)換熱特性(xing)，探究表(biao)面(mian)(mian)微納米結(jie)構和各向(xiang)異性(xing)潤濕性(xing)對冷(leng)(leng)凝(ning)液滴(di)動力學行為(wei)和換熱性(xing)能(neng)的(de)影響。研(yan)(yan)究發現，層(ceng)級微槽(cao)超(chao)疏水表(biao)面(mian)(mian)同時存在(zai)低過(guo)冷(leng)(leng)度下(ΔT5 K)多個(ge)小冷(leng)(leng)凝(ning)液滴(di)(100μm)的(de)合并彈(dan)跳(tiao)和較寬過(guo)冷(leng)(leng)度范圍內(ΔT12 K)槽(cao)內變(bian)形大(da)液滴(di)(400～500μm)的(de)受迫彈(dan)跳(tiao)。

而(er)且，槽內受限生長的(de)大冷(leng)凝液(ye)滴會在Laplace壓力(li)差(cha)的(de)作用下爬升至槽道頂(ding)部形成懸浮液(ye)滴，構成層級冷(leng)凝模(mo)式，有(you)效抑制了高(gao)過(guo)冷(leng)度下的(de)泛(fan)液(ye)冷(leng)凝，強化(hua)了滴狀冷(leng)凝換熱(re)。低(di)過(guo)冷(leng)度下液(ye)滴的(de)合并彈跳(tiao)和彈跳(tiao)液(ye)滴誘導的(de)掃(sao)除(chu)以及高(gao)過(guo)冷(leng)度下合并誘導的(de)掃(sao)除(chu)和懸浮液(ye)滴的(de)脫落(luo)等(deng)多種(zhong)表(biao)面(mian)刷新方式使層級微槽超(chao)疏(shu)水表(biao)面(mian)具有(you)最佳的(de)滴狀冷(leng)凝換熱(re)性能，并消除(chu)了槽道各向(xiang)異(yi)性潤濕性對滴狀冷(leng)凝換熱(re)的(de)影響。

然而，槽(cao)(cao)(cao)(cao)道的(de)(de)(de)各(ge)向異性(xing)潤濕性(xing)顯(xian)著影響微槽(cao)(cao)(cao)(cao)疏(shu)水(shui)表(biao)(biao)面(mian)的(de)(de)(de)滴狀冷凝(ning)(ning)。槽(cao)(cao)(cao)(cao)道結構增加(jia)的(de)(de)(de)換(huan)熱(re)面(mian)積，槽(cao)(cao)(cao)(cao)內(nei)液柱的(de)(de)(de)滑(hua)(hua)落(luo)(luo)和對相鄰(lin)凸(tu)臺上(shang)液滴的(de)(de)(de)掃除(chu)與跨槽(cao)(cao)(cao)(cao)大(da)液滴脫(tuo)(tuo)落(luo)(luo)相結合，提高(gao)了表(biao)(biao)面(mian)刷新頻率，使豎槽(cao)(cao)(cao)(cao)方(fang)向微槽(cao)(cao)(cao)(cao)疏(shu)水(shui)表(biao)(biao)面(mian)的(de)(de)(de)冷凝(ning)(ning)換(huan)熱(re)性(xing)能(neng)明顯(xian)優于光(guang)滑(hua)(hua)疏(shu)水(shui)表(biao)(biao)面(mian)。但橫向槽(cao)(cao)(cao)(cao)道消除(chu)了槽(cao)(cao)(cao)(cao)內(nei)液柱的(de)(de)(de)滑(hua)(hua)落(luo)(luo)，并阻礙跨槽(cao)(cao)(cao)(cao)大(da)液滴的(de)(de)(de)脫(tuo)(tuo)落(luo)(luo)，不利于刷新表(biao)(biao)面(mian)，導致(zhi)橫槽(cao)(cao)(cao)(cao)方(fang)向微槽(cao)(cao)(cao)(cao)疏(shu)水(shui)表(biao)(biao)面(mian)的(de)(de)(de)冷凝(ning)(ning)換(huan)熱(re)性(xing)能(neng)比(bi)光(guang)滑(hua)(hua)疏(shu)水(shui)表(biao)(biao)面(mian)更低。