摘要
冷凝传热广泛存在于人类日常生活和工业生产当中，强化冷凝换热对满足设备换热需求、降低能源消耗具有重要应用价值。滴状冷凝是一种高效的冷凝传热模式，而超疏水表面可以实现这一过程。因此将超疏水表面技术应用到金属基底是强化冷凝传热特性的有效途径。在表面构筑合适的粗糙结构是制备超疏水表面并维持长效滴状冷凝的关键因素，但目前在金属基底加工高精度、可调控的微尺度结构仍较为困难，相应的也缺少微纳米结构参数对金属基超疏水表面冷凝性能的影响规律研究。因此，开发合适的金属基微纳米超疏水表面制备方法并进行冷凝研究，对推进超疏水表面在传热领域的工业化应用具有重要意义。本文围绕铜基表面微纳米结构的可控构建及结构参数对冷凝行为、冷凝水收集性能的影响开展了相关工作，主要包括以下几个方面： 首先，开发高精度、可调控的铜基微纳米结构加工技术。运用激光烧蚀技术在铜表面构建规整的方柱微米阵列，并利用化学刻蚀法和氟化物浸泡法分别进行纳米化和疏水化处理，制得铜基微纳米结构超疏水表面。此方法有望推动金属基超疏水表面在工程领域的实际运用。研究了激光参数对微尺度结构加工的影响规律，实现了微米阵列的可控构建；验证了微纳米复合结构对超疏水性的提升作用，表面接触角最高可达172°；同时分析了微米结构参数对润湿性能的影响。 其次，研究超疏水表面冷凝液滴的运动行为和润湿状态。搭建微观可视化冷凝平台，在常温、高湿环境下观察不同表面的冷凝过程，分析不同表面上液滴的成核、生长、合并、脱落现象，确定冷凝液滴处于Cassie态润湿状态。验证微纳米复合结构对冷凝液滴快速脱离表面的强化作用，微纳米结构的协同作用可使冷凝液滴合并弹跳脱落的最小尺寸降低至8μm，表面最大液滴脱落尺寸降至99.5μm。对比了纳米结构、微纳米复合结构超疏水表面上的液滴生长速率、表面覆盖率，并进行相应的机理分析。同时，验证并分析了微纳米复合结构超疏水表面在保持表面稳定性和冷凝性能的积极作用。 最后，强化铜基冷凝表面的冷凝水收集性能。利用激光烧蚀技术实现便捷的一步制备超亲水/超疏水复合表面，并对亲水图案进行可控调整，实现冷凝液滴的定向运输。搭建冷凝水收集实验系统，测量超亲水/超疏水复合表面、超亲水表面、超疏水表面的集水速率。从润湿性梯度与形状梯度的角度明晰亲水图案强化集水性能的内在机制；可视化分析亲水图案间距对集水性能的影响规律。通过优化亲水图案间距，超亲水/超疏水表面上的最大集水速率比超亲水表面和超疏水表面分别提高21%与54%。
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