一种改变高温固体表面液滴浸润性的方法与流程

本发明涉及一种改变高温固体表面液滴浸润性的方法，可以有效提高传热效率、强化传热技术，节约能源利用率。

背景技术：

液滴撞击高温固体表面的过程与众多工业过程紧密相关，存在于内燃机燃烧、喷淋冷却、喷墨打印、等离子体溅射等过程中。撞击液滴与固体壁面的作用机制直接决定了上述过程的传热实施效果。因此强化固液间的传热效率，对于适应如今经济发展中节能环保的新方向有着重要的积极意义。

我们知道，在固液传热过程中，冷却液通常在高温固体表面铺展。固液间传热效率较快，会发生气液相的转变从而带走高温固体表面的热量，从而实现高温设备的快速冷却。若继续升高温度到达过渡沸腾阶段时，固体和液体间就达到了最大热通量。若温度进一步升高，则由于气泡生长速度过快，在逃离固体表面前即会相互合并连接，使传热受到限制，最终在固体表面形成连续的蒸气膜。蒸汽膜将液体与高温表面隔离开来，液滴会悬浮于该蒸气膜之上。此时，液滴与固体表面完全不浸润，发生浸润状态的改变(液滴的去浸润)，这种现象被称为leidenfrost效应，此时所对应的温度称为leidenfrost温度，也是液滴的浸润转变温度。由于该温度下蒸汽膜的导热性很差，液滴的蒸发过程就会很慢，传热效率也会降低，最终导致固体表面的热量不能被及时带走，高温设备可能会因过热而被烧坏。因此，在实际生产中，为了提高传热过程中的传热效率，我们就要避免膜沸腾的前提下，尽量提高固液传热效率。

然而沸腾传热的本质，是当固体表面温度高于水的沸点时，固体表面与水之间的一系列浸润与去浸润行为，因此，固体表面的化学组成和微观结构，必然极大的影响着其固液传热性能。而至今，却尚未有人系统全面的提出高温固体表面结构和化学组成对其高温下浸润行为的影响。

此外，传热介质对液滴高温固体表面的行为起着很重要的作用。沉积的传热介质可以改变固体表面的浸润性，甚至是粗糙度，影响液滴在高温固体表面的浸润转变温度。

本发明提供一种改变高温固体表面液滴浸润性的方法，通过协调界面的微观结构和化学组成以及改变工作液滴的物理化学性质，可以有效实现强化传热、减阻等，提高能源利用率，节约资源。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种针对现有技术中存在的问题，本发明为解决现有的高负荷高效率的传热需求，本发明提供一种改变高温固体表面液滴浸润性的方法，通过协调固体界面的微观结构和化学组成以及改变工作液滴的物理化学性质，方法相对简单，经济环保，具有很好的可实施性。

本发明提供的调控高温固体表面液滴浸润性转变的方法，具体包括：

第一步，工作液滴的选择；

第二步，硅片的清洗；

第三步，表面结构的制备；

第四步，疏水表面的构建。

其中，所述第一步可以选择去离子水、表面活性剂十二烷基磺酸钠sds的水溶液、sio2纳米流体以及氧化铁胶体等作为工作液滴。

其中，所述第二步进一步具体为将光滑硅片(p型，晶向100)和具有微米结构的硅片(利用掩膜版北大微纳加工实验室利用掩膜版刻蚀p性、晶向100光滑硅得到)分别依次浸入丙酮、乙醇中超声15min，用水冲后，然后浸入98％硫酸与双氧水体积比为3：1的溶液中，在80℃下加热30min，取出用大量水冲洗，此时硅片为亲水。

其中，所述第三步中可以构建纳米线阵列表面结构或微纳米复合阵列表面结构的硅片。

其中，第三步进一步具体为：

制备硅纳米线阵列：配置hf和硝酸银的混合反应液，倒入到聚四氟乙烯反应釜中，加入第二步清洗的光滑硅，加盖置于50℃烘箱中加热反应20min。因聚四氟反应釜釜壁较厚，为确保反应效果，在加入硅片前，应提前将反应液放入50℃烘箱中预热10min。反应20min后取出硅片，用硝酸浸泡15s左右以去除样品表面覆盖的灰色的银的膜，然后用大量水冲洗，高纯氮气吹干,

制备微纳米复合结构：配置hf和硝酸银的混合反应液，倒入到聚四氟乙烯反应釜中，加入第二步清洗的硅微米柱片，加盖置于50℃烘箱中加热反应20min。因聚四氟反应釜釜壁较厚，为确保反应效果，在加入硅片前，应提前将反应液放入50℃烘箱中预热10min。反应时间控制氢为10min，否则腐蚀时间过长，会将微米柱给刻蚀掉。取出硅片，用硝酸浸泡15s左右以去除样品表面覆盖的灰色的银的膜，然后用大量水冲洗，高纯氮气吹干。

其中，混合反应液中hf的浓度为5mol/l，硝酸银的浓度为0.02mol/l，混合反应液的具体制备方法为：称取硝酸银0.1699g放入塑料烧杯中，用注射器吸取10ml氢氟酸，再加水配成50ml混合溶液。

其中，所述第四步可以通过气相沉积来制备疏水表面。

第四步进一步具体为将第二步清洗干净的硅片以及第三步制备的具有表面结构的硅片，用高纯氮气吹干，立刻将硅片放入真空干燥器中，滴入一滴氟硅烷，抽真空，保持真空条件2h，羟基化的硅片在氟硅烷蒸汽氛围下在表面形成氟硅烷的单分子层，从而形成疏水表面。当制备超疏水表面时，抽真空并保持的时间为12h。

本发明将上述工作液滴(第一步选择)以及制备的亲水基底(第二、三步制得)、疏水基底(第四步制得)应用于改变高温固体表面液滴浸润性的技术上。

第一，将不同浓度的工作液滴从固定高度滴落在高温亲水表面和疏水表面。

第二，利用高速摄像机记录液滴在高温条件下浸润与去浸润过程。

第三，比较上述各液滴的浸润行为转变过程。

本发明的有益效果:

本发明提供一种调控高温固体表面液滴浸润性的方法，有效提高传热过程中的传热效率，实现强化传热，进而节约能源；且制作方法简单实用，制作成本相对经济，不会增加生产成本。

附图说明

图1实验装置图；

图2电镜照片：(a)光滑硅；(b)纳米线结构；

图3光滑硅和纳米线结构在氟硅烷修饰前后的水的接触角；

图4表面活性剂sds液滴在亲水表面的浸润转变过程；

图5表面活性剂sds液滴在疏水表面的浸润转变温度与溶液浓度的关系；

图6sio2纳米流体浓度与leidenfrost温度间的关系曲线:(a)亲水硅表面,(b)亲水硅表面；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。此外应理解，在阅读本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价形式同样属于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明提供一种改变高温固体表面液滴浸润性的方法，有效提高固液间的传热效率，强化传热技术。所述基底采用的是光滑硅片以及掩膜版刻蚀光滑硅片得到的硅微米柱基底。

具体方法包括：

第一步，工作液滴的选择；

第二步，硅片的清洗；

第三步，表面结构的制备；

第四步，疏水表面的构建。

其中，所述第一步可以选择去离子水、表面活性剂十二烷基磺酸钠sds的水溶液、sio2纳米流体以及氧化铁胶体等作为工作液滴。

其中，所述第二步进一步具体为将光滑硅片(p型，晶向100)和具有微米结构的硅片(利用掩膜版北大微纳加工实验室利用掩膜版刻蚀p性、晶向100光滑硅得到)分别依次浸入丙酮、乙醇中超声15min，用水冲后，然后浸入98％硫酸与双氧水体积比为3：1的溶液中，在80℃下加热30min，取出用大量水冲洗，此时硅片为亲水。

其中，所述第三步中可以构建纳米线阵列表面结构或微纳米复合阵列表面结构的硅片。

其中，第三步进一步具体为：

制备硅纳米线阵列：配置hf和硝酸银的混合反应液，倒入到聚四氟乙烯反应釜中，加入第二步清洗的光滑硅，加盖置于50℃烘箱中加热反应20min。因聚四氟反应釜釜壁较厚，为确保反应效果，在加入硅片前，应提前将反应液放入50℃烘箱中预热10min。反应20min后取出硅片，用硝酸浸泡15s左右以去除样品表面覆盖的灰色的银的膜，然后用大量水冲洗，高纯氮气吹干,

制备微纳米复合结构：配置hf和硝酸银的混合反应液，倒入到聚四氟乙烯反应釜中，加入第二步清洗的硅微米柱片，加盖置于50℃烘箱中加热反应20min。因聚四氟反应釜釜壁较厚，为确保反应效果，在加入硅片前，应提前将反应液放入50℃烘箱中预热10min。反应时间控制氢为10min，否则腐蚀时间过长，会将微米柱给刻蚀掉。取出硅片，用硝酸浸泡15s左右以去除样品表面覆盖的灰色的银的膜，然后用大量水冲洗，高纯氮气吹干。

其中，混合反应液中hf的浓度为5mol/l，硝酸银的浓度为0.02mol/l，混合反应液的具体制备方法为：称取硝酸银0.1699g放入塑料烧杯中，用注射器吸取10ml氢氟酸，再加水配成50ml混合溶液。

其中，所述第四步可以通过气相沉积来制备疏水表面。

第四步进一步具体为将第二步清洗干净的硅片以及第三步制备的具有表面结构的硅片，用高纯氮气吹干，立刻将硅片放入真空干燥器中，滴入一滴氟硅烷，抽真空，保持真空条件2h，羟基化的硅片在氟硅烷蒸汽氛围下在表面形成氟硅烷的单分子层，从而形成疏水表面。当制备超疏水表面时，抽真空并保持的时间为12h。

本发明将上述工作液滴(第一步选择)以及制备的亲水基底(第二、三步制得)、疏水基底(第四步制得)应用于改变高温固体表面液滴浸润性的技术上。

第一，将不同浓度的工作液滴从固定高度滴落在高温亲水表面和疏水表面。

第二，利用摄像机记录液滴在高温条件下的浸润与去浸润过程

第三，比较上述各液滴的浸润行为转变过程。

本发明改变高温固体表面液滴浸润性的原理主要是：

固体表面的化学组成和粗糙度能显著影响液滴的浸润转变过程。当液滴下落到亲水表面时，粗糙结构有助于增大液滴的最大接触面积、最大蒸发面积和浸润转变温度。在氟硅烷修饰的粗糙结构，室温下，液滴不能完全浸润粗糙表面，会在固体表面和液滴之间形成一层空气垫，有助于降低浸润转变温度。传热介质会改变改变了固体表面的浸润性，使固体表面变得更加亲水时，液体与固体的有效接触面积增大，可以促进其沸腾，从而加快了固液间的传热过程。另外沉积的传热介质颗粒增加了固体表面的粗糙度，增加了液体汽化的核心，加速了液体的沸腾。

本发明提供一种改变高温固体表面液滴的浸润性的方法，其采用上述方法制备的具有微观结构和化学组成的固体界面以及改性的工作液滴。

本发明还提供了上述界面及工作液滴应用于改变高温固体表面液滴浸润行为的过程。

以下采用实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。

实施例1：

本实施例中，工作液滴采用表面活性剂十二烷基磺酸钠sds溶液，基底材料为光滑硅片。

第一步，工作液滴的选择；

所述第一步选择表面活性剂十二烷基磺酸钠sds溶液作为工作液滴，配置0mol/l、1.0×10^-3mol/l、4.0×10^-3mol/l、9.0×10^-3mol/l、1.0×10-²mol/l的十二烷基磺酸钠的水溶液。

第二步，硅片的清洗；

所述第二步进一步具体为将光滑硅片(p型，晶向100)分别依次浸入丙酮、乙醇中超声15min，用水冲后，然后浸入98％硫酸与双氧水体积比为3：1的溶液中，在80℃下加热30min，取出用大量水冲洗，此时硅片为亲水。

第三步，疏水表面的构建。第三步进一步具体为将第二步清洗干净的硅片以及第二步制备的具有表面结构的硅片，用高纯氮气吹干，立刻将硅片放入真空干燥器中，滴入一滴氟硅烷，抽真空，保持真空条件2h，羟基化的硅片在氟硅烷蒸汽氛围下在表面形成氟硅烷的单分子层，从而形成疏水表面。

如图1所示，搭建实验装置。实验开始前需要先调整光源、高速摄像机、基底的位置，保证三者在同一直线上，同时在摄像机控制显示器上所显示的基底侧面要清楚。

调整好光路后，调节好光路后，利用热台对基底进行加热，并用热电偶测试基底的温度，待温度升高到指定温度后，利用注射泵进行液滴的注射，注射速度为0.01ml/min，液滴的下落高度为3.5mm。自液滴开始下落时，采用olympusi-speed3摄像机以1000frame/s的速度来记录液滴的整个下落过程，其中实验的温度范围为50～300℃。

其中光滑硅的表面形貌如图2(a)所示，光滑硅在经氟硅烷修饰前后的水的接触角如图3所示。

从图4和图5可以观察到，当液滴下落到亲水的光滑硅表面后，表面活性剂可以改变基底的浸润性，因而可以降低浸润转变的温度。随着加入的表面活性剂的浓度的增大，液滴开始弹跳的温度逐渐降低；当达到临界胶束浓度时，即使再增加表面活性剂的浓度，液滴开始弹跳的温度将保持不变。而疏水表面有助于降低浸润转变温度。

实施例2：

本实施例中，工作液滴采用sio2纳米流体，基底材料为硅纳米线结构。

第一步，工作液滴的选择；

所述第一步选择sio2纳米流体作为工作液滴。配置0g/l，0.05g/l，0.1g/l，0.2g/l，0.3g/l的纳米流体，然而将其分别置于100ml的容量瓶中保存备用。由于纳米粒子存在小尺寸效应，容易发生团聚，因此在配制过程要在超声机中进行超声分散，超声时间为10h。待下次使用前也要先在超声机中进行超声分散，避免出现纳米粒子的团聚，影响实验效果

第二步，硅片的清洗；

将光滑硅片(p型，晶向100)分别依次浸入丙酮、乙醇中超声15min，用水冲后，然后浸入98％硫酸与双氧水体积比为3：1的溶液中，在80℃下加热30min，取出用大量水冲洗，此时硅片为亲水。

第三步，表面结构的制备；

其中，所述第三步中可以构建纳米线阵列表面结构。第三步进一步具体为：

制备硅纳米线阵列：配置hf和硝酸银的混合反应液，倒入到聚四氟乙烯反应釜中，加入第一步清洗的光滑硅，加盖置于50℃烘箱中加热反应20min。因聚四氟反应釜釜壁较厚，为确保反应效果，在加入硅片前，应提前将反应液放入50℃烘箱中预热10min。反应20min后取出硅片，用硝酸浸泡15s左右以去除样品表面覆盖的灰色的银的膜，然后用大量水冲洗，高纯氮气吹干。

第四步，疏水表面的构建。

第三步制备的具有纳米结构结构的硅片，用高纯氮气吹干，立刻将硅片放入真空干燥器中，滴入一滴氟硅烷，抽真空，保持真空条件2h，羟基化的硅片在氟硅烷蒸汽氛围下在表面形成氟硅烷的单分子层，从而形成疏水表面。

如图1所示，搭建实验装置。实验开始前需要先调整光源、高速摄像机、基底的位置，保证三者在同一直线上，同时在摄像机控制显示器上所显示的基底侧面要清楚。

调整好光路后，调节好光路后，利用热台对基底进行加热，并用热电偶测试基底的温度，待温度升高到指定温度后，利用注射泵进行液滴的注射，注射速度为0.01ml/min，液滴的下落高度为3.5mm。自液滴开始下落时，采用olympusi-speed3摄像机以1000frame/s的速度来记录液滴的整个下落过程。

可见，其中制备的纳米结构的表面形貌如图2(b)所示，纳米结构在经氟硅烷修饰前后的接触角如图3所示。

从图6sio2纳米流体浓度与leidenfrost温度间的关系曲线可以观察到，在亲水硅纳米线结构基底上，随着纳米流体浓度的增加，液滴的leidenfrost温度都是在不断升高的。这是因为当纳米流体液滴下落到高温表面后，纳米粒子会沉积在固体表面，从而改变了固体表面的粗糙度和浸润性，而且沉积的纳米粒子会成为液体汽化的核心，加速了液体的沸腾，促进了固液间的传热，使得液滴的浸润转变温度提高。在疏水的硅纳米线表面，液滴的leidenfrost温度都是随着纳米粒子浓度的增大而减小的。由于表面的纳米结构能够为气泡成核提供更多的位点，因此，低温下就可以形成较厚的蒸气层，进而就会阻止液滴在高温表面的扩展。

所有上述的首要实施这一知识产权，并没有设定限制其他形式的实施这种新产品和/或新方法。本领域技术人员将利用这一重要信息，上述内容修改，以实现类似的执行情况。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。