摘要
气候变化是人类面临的全球性问题，自第三次工业革命以来，全球二氧化碳排放量急剧增加导致温室效应猛增，已经对地球生命系统形成极大的威胁。传统的机械压缩冷却技术覆盖了目前冷却市场的95％，不仅能耗大，还泄露化学制冷剂，造成温室效应和臭氧层破坏，加剧了全球变暖。为应对气候变化问题，需要一种高效的节能方式以减少能源的消耗和二氧化碳的排放，M-cycle间接蒸发冷却技术（Maisotsenko cycle indirect evaporative cooling）是目前最高效的节能方式，已成为当前制冷领域发展的新方向，可以应用于建筑物和数据中心的空调。该技术发展的瓶颈是缺乏高温下保持润湿性的材料。 本文使用飞秒激光微纳制造技术在聚氧亚甲基材料（Polyoxymethylene copolymer,POMC）和钛合金材料（Ti-6Al-4V）表面制备出一系列平行的V凹形微槽道结构。通过改变激光参数、多次实验和测试所得材料润湿性能，最终找到了最佳的微纳结构。其中，在聚氧亚甲基材料表面形成了平均周期和深度分别为120 μm和256μm的微槽道结构，以及在钛合金材料表面形成了平均周期和深度分别为80μm和76μm的微槽道结构。材料表面具有多层次的微纳结构，从几纳米到几百微米跨越了四个量级，因此具有良好的润湿性能。 针对蒸发冷却装置的冷却性能提升，冷却装置材料表面的毛细管泵送功能和蒸发性能是两个关键因素，本文对其进行了重点研究。首先通过高速光学成像技术研究了水在聚氧亚甲基材料和钛合金材料表面的毛细扩散动力学，数据表明两种制备的超润湿材料具有良好的毛细管泵送功能。其次，利用风通道实验研究了超润湿材料在（23-200℃）温度和（0.6-16 m/s）风速条件下的蒸发速率。在140 ℃和14.2m/s的热风下，聚氧亚甲基材料表面一直保持润湿状态，液体在材料表面的蒸发速率达到了 1030.42 μg·cm-2·s-1。在200 ℃和12.5 m/s的热风下，钛合金材料表面仍有一半的面积是保持润湿状态，液体在材料表面的蒸发速率达到了 2589.11μg·cm-2·s-1。与同样实验条件下的自由水面的蒸发速率进行对比，实验发现两种超润湿材料表面的蒸发速率比自由水面蒸发速率高2-7倍。实验结果表明聚氧亚甲基和钛合金超润湿材料都具有强蒸发功能。 在恒温恒湿且无风条件下两种超润湿材料表面的液体蒸发速率实验结果表明聚氧亚甲基材料表面的蒸发速率比自由水面的蒸发速率高7-12倍，而钛合金材料表面的蒸发速率比自由水面蒸发速率高3-10倍。通过光学显微镜发现液体在材料表面的微槽道结构上形成了半月板导致了水与空气的接触面增大，提高了表面的蒸发速率。本文所制备的两种材料在16个月的研究期间一直保持优异的润湿性能和蒸发性能。因此本文研究的两种多功能材料对于优化冷却装置提供新材料，在M-cycle间接蒸发冷却技术中具有潜在的应用价值和工程应用前景。
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