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焦云龙副研究员/刘焜教授《Small》:调节基底表面形貌抑制液滴飞溅 - 实现高效蒸发冷却
2024-01-31  来源:高分子科技

  喷雾冷却是一种实现设备散热和温控的新型散热方式,借助液体蒸发相变实现高效散热,尤其对电子芯片和固体激光器等高功率设备散热具有巨大的开发和应用前景。然而,液滴撞击过程中通常存在飞溅和回收的现象,限制了喷雾冷却过程中界面散热的均匀性,阻碍了喷雾冷却过程中传热效率的提高。通过调节基底的表面形貌,实现可控的液滴撞击行为,有望解决这一问题。前期关于表面形貌影响液滴的飞溅研究主要集中在表面的二维粗糙度RaRrmsRpk/Rsm,其中轮廓算术平均高度Ra作为决定临界飞溅条件是一个非常热点的问题。虽然表面的二维轮廓绘制在科学和工程领域得到广泛应用,然而,所有表面都是在三维而非二维空间相互作用的。实际工程表面的三维形貌非常复杂,而国际标准中的二维参数不足以对粗糙表面进行精确的定量描述,如峰谷特征、各向异性和各向同性等。因此,无法深入了解表面形貌影响三相移动接触线(液滴飞溅)的物理机制和内在规律。其次,二维参数主要反映表面形貌截面轮廓的高度信息,而忽略了水平方向的轮廓信息,这直接导致二维参数与表面功能应用之间基本不存在相关性。例如,不同加工方法加工出的表面,其三维表面形貌差异很大,应用功能也不同,但表面粗糙度Ra却相同或相似。



  近日,合肥工业大学摩擦学研究所焦云龙副研究员(通讯作者)及刘焜教授课题组等人在《Small》期刊上发表了题为“Suppressed Droplet Splashing on Positively Skewed Surfaces for High-Efficiency Evaporation Cooling”的文章。该工作报道了液滴撞击两种粗糙度相同但表面形貌完全不同的功能表面,发现负偏态表更易促进液滴飞溅,而正偏态表面抑制液滴飞溅。这主要是由于负偏态表面截留的空气使的液膜在表面呈现Cassie-Baxter状态,从而使液膜的稳定毛细力超过空气膜的失稳应力,并进一步从微观界面力学的角度分析了表面形貌对液滴铺展的影响和三相移动接触线的力学性能。最后,证明了所设计的正偏态表面可以利用高效蒸发进行大面积散热。


  真实固体表面的形貌具有随机性,即使两个表面粗糙度相同但它们的表面形貌可能完全不同。为了有效辨别出表面偏离平均平面的非对称性分布情况,引入形貌高度分布偏斜度Ssk。偏斜度Ssk是用来衡量表面的凸峰和凹坑相对平均平面的对称性。偏斜度Ssk能够有效辨别出形貌高度分布的形状,因此在统计学和工程应用中得到了广泛的关注。表面形貌高度分布偏向于基准面上方时,则偏斜度Ssk > 0,此时表面形貌的凸峰占主导地位,称为正偏态表面。当Ssk = 0时,表面形貌的凸峰和凹坑相对于基准面是对称的,称为高斯表面。当Ssk < 0时,表面的形貌高度分布偏向于基准面下方时,此时表面形貌的凹坑占主导地位,称为负偏态表面。 


1。具有不同几何特征的三维表面形貌表征。a)微柱阵列的形貌和侧视图。b)微腔阵列的形貌和侧视图。c)微柱和微腔阵列的二维轮廓图。d)不同位置轮廓的算术平均粗糙度Rae)表面三维形貌特征。f)Ssk曲线。


  通过紫外皮秒激光加工出表面形貌完全不同的微观结构(凹坑和凸柱),但是它们表面粗糙度Sa相同。为了探究结构体三维表面形貌对液滴撞击现象的影响,将润湿性和表面形貌的影响进行去耦合。对于粗糙度Sa相同但形貌完全不同的表面,其表面的润湿性几乎相同通过使用表面润湿性几乎相同的正、负偏态表面来进一步探究三维表面形貌对液滴飞溅及移动接触线的影响。试验现象表明负偏态表面(Ssk < 0)比正偏态表面(Ssk > 0)更易产生微液滴飞溅,并且随着表面粗糙度Sa的增加,无论是正偏态表面还是负偏态表面产生液滴飞溅的临界韦伯数阈值都呈现下降趋势,但负偏态表面产生微液滴飞溅的临界韦伯数阈值明显低于正偏态表面,进一步证明了表面形貌会影响液滴的飞溅。 


2。制备具有不同几何特征的三维表面形貌及其对高速液滴撞击结果的影响。a)皮秒激光制备的微柱阵列和微腔阵列示意图。b)制备样品的表面形貌。c)表面形貌对润湿性的影响。d)表面形貌对水滴撞击结果的影响。e) 表面形貌效应对液滴飞溅临界韦伯数阈值的影响。


  为了进一步探究表面粗糙度Sa相同的情况下负偏态表面更易促进液滴飞溅的原因,则详细关注了液滴撞击微结构表面期间从液滴铺展下方径向逃逸的空气。由于离散状微柱表面(正偏态表面)在撞击过程中为液滴下方气体的逃逸提供了路径,不适合用于量化逸出气流的影响。因此,将着重关注逸出的空气对负偏态表面上液滴飞溅的影响。由于气流的排出,会使得液滴在互联的微结构表面呈现出类Cassie-Baxter态。当液滴在表面铺展时,互联微结构的存在,使得液滴在撞击到微结构表面后会经历从垂直到径向的剧烈重定向,迅速重定向的液膜接触到微结构会导致运动的不连续性,液膜前端的运动速度比润湿面积增加的速度要快,使得液膜前端离开微结构表面。液膜下方空气流动的存在,给液膜提供了垂直方向的动量,使得液膜向上偏转,最终在两种应力相当的情况下,导致液滴飞溅。 


3。不同表面形貌的液滴撞击示意图及机理解释。液滴撞击微柱阵列(a)和微腔阵列(b)的气体逃逸路径示意图。模拟液滴撞击微柱阵列(c)和微腔阵列(d)表面的时间序列图像和两相分布。e-g)负偏态表面影响液滴飞溅的机理分析


  为了进一步了解空气气流对飞溅影响的作用,在不同环境压强条件下进行液滴撞击不同表面形貌的试验。无论是正偏态表面还是负偏态表面,从移动接触线前端飞溅出的子液滴随着压力的降低变得越来越少,则表明环境压力的降低会抑制液滴飞溅。研究结果表明负偏态表面上液滴飞溅的现象受到压强影响最大,而在环境压强逐渐降低的过程中,可以观察到不同的转变过程。随着We数增加至454时,可以发现液滴撞击正偏态表面后出现微液滴飞溅被强化,而负偏态表面液滴飞溅由微液滴飞溅转变为电晕飞溅,在随着压强逐渐降低的过程中,电晕飞溅逐渐被抑制,从而转变为微液滴飞溅。因此,试验结果表明液滴铺展下方气流的流动是造成不同表面形貌结构影响液滴飞溅的原因。 


图4。压力对液滴撞击结果的影响。a)真空装置原理图。不同环境压力下We≈264 (b)和We≈454 (c)下表面形貌对液滴撞击表面结果的影响。


  此外,进一步探究了We数对液滴撞击不同表面形貌后形成液滴飞溅或沉积的影响。在低We数时,无论是正偏态表面还是负偏态表面,液滴撞击后均沉积在表面上,未发生飞溅。随着We数的继续增大,无论是正偏态表面还是负偏态表面,液滴撞击后在表面上均出现飞溅强化现象。当We数增加至686时,对于负偏态表面,液滴撞击以后在表面形成电晕飞溅,液膜破裂形成二次小液滴(t = 1.0 ms而对于正偏态表面,液滴撞击以后将从液滴边缘的固液气三相接触线飞出,形成快速飞溅。基于以上分析可知,低于临界快速飞溅We数阈值时,液滴将在表面周向铺展,无飞溅出现。随着We数的增加,液滴撞击表面后形成快速飞溅,继续增加We数可以强化液滴的快速飞溅,当We数增加到一定值时,撞击表面后的快速飞溅向电晕飞溅转变。 


5We数对不同几何特征的三维形貌表面液滴撞击结果的影响。(a) We≈172(b) We≈256(c) We≈429(d) We≈686


  液滴在撞击不同形貌表面后的惯性铺展阶段,表面形貌很大程度上会影响液滴三相接触线的移动。液滴在微结构表面最大铺展因子明显高于原始表面,其原因是表面粗糙结构使得表面更亲水,为液滴的铺展提供了额外的驱动力和能量,从而促进液滴铺展。并且液滴在原始表面的铺展因子达到最大后,液滴开始回缩。与原始表面不同的是,液滴在微结构表面铺展达到最大铺展因子后将钉扎在微结构表面。通过分析三相接触线的移动进一步解释液滴在光滑表面铺展到最大直径后回缩以及在粗糙表面钉扎的原因对于光滑平面,液滴边缘三相接触线移动时受到阻力小,以至于液滴能够回缩。对于粗糙微结构表面,由于粗糙度的存在,三相接触线移动时受到阻力变大,使得液滴铺展到最大直径略收缩后钉扎在微结构表面。 


6。基于表面形貌效应的三相移动接触线力学特性研究。(a)液滴撞击不同表面形貌后无量纲直径随时间的变化。(b)液滴撞击不同表面形貌对应的接触线速度随时间的变化。(c) We数对液滴撞击表面后无量纲直径直径的影响。(d) We数对液滴撞击表面后接触线速度的影响。(e)表面形貌对液滴扩散的影响。(f)三相运动接触线上的驱动力示意图。


  喷雾冷却过程中液滴的蒸发速率和扩散行为决定了喷雾冷却的效率,进一步探究了表面形貌对基板散热行为的影响。与正偏态表面相比,相互连接的微腔结构可以阻止气体的快速逸出,导致气体被压缩,从而使气体沿径向排出。液滴与微腔表面之间的气膜严重影响液滴与微腔表面之间的传热。因此,正偏态表面的散热效率明显优于微腔表面。正偏态表面的微观形貌调节的界面润湿性将诱导更大的毛细力,从而允许液滴在撞击表面后很长时间内继续扩散。持续扩散和微观形貌的共同作用使液滴在正偏态表面上实现了更大的固液接触面积,强化了传热,使液滴在正偏态表面上蒸发得更快,从而导致大面积散热。 


7。基底表面形貌对蒸发散热特性的影响。(a)水滴撞击不同形貌表面的散热示意图。(b)液滴撞击不同形貌表面的热像。(c)表面形貌对单液滴蒸发时间的影。(d)喷雾冷却过程中不同形貌表面的平均温度随时间的关系。(e)液滴撞击不同形貌表面后的扩散过程。


  该工作报道了在去耦润湿性的影响下液滴撞击具有不同几何特征的粗糙表面时负偏态表面更容易促进液滴溅射。通过调节基底的表面形貌,实现可控的液滴撞击行为能够有效提高喷雾冷却过程中蒸发散热的均匀性与效率。影响液滴飞溅和三相接触线运动的表面形貌效应可能对工业、农业和航空航天领域的应用产生深远的影响,包括农业灌溉和农药的喷洒以及水下可持续减阻的实现


  本论文第一作者为合肥工业大学已毕业博士王兆长,现为安徽工业大学机械工程学院青年教师(人才引进),研究领域包括固-液接触界面摩擦行为调控及流体界面物理力学与液滴动力学。目前以第一作者SmallACS Applied Materials & InterfacesApplied Physics Letters、《中国科学:物理学 力学 天文学》等国内外知名学术期刊已发表/已录用相关研究论文8


  原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202307759

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