一种冷凝换热用沟槽微纳米结构油膜浸润表面及制备方法

本发明涉及本发明属于多级结构超疏水表面制备与滴状冷凝传热高性能材料，尤其是涉及一种冷凝换热用沟槽微纳米结构油膜浸润表面及制备方法。

背景技术：

1、通过对自然界动植物超疏水性能的仿生研究，过去20年来，超疏水表面的基础研究进展迅速。超疏水表面增强冷凝传热的研究是一个非常活跃的领域。冷凝换热作为热循环系统中必不可少的换热环节，其换热性能对热循环系统的整体性能起着关键性的作用，增强冷凝传热有可能显著提高效率并降低工业生产上的成本。在冷凝换热中滴状冷凝相较于膜状冷凝具有卓越的换热性能，受到国内外学者的广泛关注。增强冷凝传热不仅需要控制液滴成核密度和液滴润湿形态，还要实现液滴的快速脱离。近年来，微米、纳米、微纳米超疏水表面对液滴冷凝传热的作用受到了广泛研究。微米级超疏水表面相对容易加工，可以提供足够的空气空袋支撑液滴，使液滴在合适条件下有良好的弹跳作用。纳米级超疏水表面与液滴的接触面积很小，其黏附力很小，液滴更容易发生脱离。各种具有微/纳米结构的超疏水表面可以通过稳定的气液界面实现疏液性，可以促进液滴发生合并弹跳。但是，如果液滴过大，可能会填满微米级的凹槽，导致失去超疏水性，而纳米级结构不够稳定，容易损坏。微纳米结构通过材料表面粗糙结构构造出来的cassie不稳定空气气膜容易被破坏，且其他液滴容易渗透进微纳米结构形成悬浮液滴并且造成表面不稳定。近年，受到自然中猪笼草的启发，考虑综合多种尺度表面的优势，人们提出了复合表面，在超疏水性结构表面注入润滑剂，以同时实现轻松去除液滴和低接触角，可促进持续的液滴冷凝，从而显著提高冷凝传热性能。这种高性能新颖表面具有多种优异性，比如排斥多种液体(水、碳氢化合物、血液)、物理损伤后快速自修复、抗冰粘附、能适用于高压环境下等。故其在多领域都展现出突出的应用潜力，如抗污、防冰防雾、防腐蚀、液体运输、工业领域中的冷凝气管、能源节约以及大气水收集等。

2、中国发明专利cn217459314u提供了一种冷凝液滴弹跳板，该冷凝液滴弹跳板的具体结构是一种具有微米尺度的薄壁凹坑微结构，并且在其表面上设有超疏水层。在所述冷凝液滴弹跳板上，冷凝液滴仅生长在所述薄壁凹坑微结构的各单个凹坑内而不生长在单个凹坑的侧壁顶面上。在该冷凝液滴弹跳板上凝液滴弹跳概率稳定，弹跳速度可达2m/s～4m/s，避免或大大地减少了冷凝液滴在冷凝液滴弹跳板上的残留，从而使得弹跳板可用作防雾/防露、防结冰材料。另外，滴状冷凝使导热能力加强，也可用于散热用的均热板中。但是在该单一结构的超疏水表面，其成核密度不如纳米结构表面大，在某些情况下，液滴可能会因表面张力作用而被微米级凸起物“钉住”，导致液滴难以合并和弹走。

3、中国发明专利cn108097553a提高了一种v形槽超疏水表面及其在混合蒸气冷凝传热强化中的应用。该冷凝表面为二级结构，以金属为基体，由亚毫米的v形槽结构和纳米粗糙结构构成。混合蒸气冷凝过程中，基于不凝气在亚毫米级v型沟槽内累积的特点，大过冷度下，v形槽顶部冷凝液滴为wenzel润湿模式，可实现液滴的快速冷凝，v形槽底部冷凝液滴为cassie润湿模式且生长缓慢。随wenzel液滴长大，在laplace压力的作用下，液滴向v槽外自驱运动，固液接触面积减小，即导致液滴与表面之间的黏附力降低。当液滴生长至半径等于v槽顶部宽度时以冲刷形式脱落，使冷凝壁面得到更新的同时，还可实现对不凝气层的扰动，从而强化混合蒸气冷凝传热。但是这种毫米级结构可能引入额外的流体动力学阻力，对冷凝液滴的排除速率产生负面影响。再者就是其防腐蚀的性能较差，会减少一定的使用时间。毫米级结构虽然可以对纳米结构提供一定程度的保护，但整个复合结构的长期稳定性仍是一个挑战。

4、中国发明专利cn116929134a提供了一种纳米分级结构、超疏水部件、其制备方法及其应用。其中的纳米分级结构包括：第一级纳米结构体，以及在所述第一级纳米结构体的至少一个表面上原位生长的多个第二级纳米结构体，其中所述第二级纳米结构体为从所述至少一个表面凸出的纳米分支。本发明的纳米分级结构具有很强的抑制液滴润湿的能力，为设计具有各种纳米结构或材料的冷凝表面提供了更大的灵活性。但是这种二级纳米结构体的可控性较差，且制备方法较困难。

5、基于以上分析，开发出一种兼具成核密度大、冷凝效率高、冷凝表面刷新率快以及耐用耐腐蚀的多功能强化冷凝表面具有重要意义。因此设计一种冷凝换热用沟槽微纳米结构油膜浸润表面及制备方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种冷凝换热用沟槽微纳米结构油膜浸润表面，该油膜浸润表面缩短了液滴成核到脱离表面的时间，加速了表面刷新率，增强了换热性能。而且具有异质涂层，在保持冷凝液滴易于清除和低接触角的同时，极大地提高了成核密度。

2、为实现上述目的，本发明公开了冷凝换热用沟槽微纳米结构油膜浸润表面，该冷凝换热用沟槽微纳米结构油膜浸润表面为微米级沟槽结构与纳米结构的混合分层表面，具有v形槽结构，所述微米级沟槽结构与所述纳米结构的分层表面处涂覆有一层油性液膜，所述纳米结构在所述微米级沟槽结构的表面均匀分布，所述纳米结构为cuo纳米片。

3、优选的，所述微米级沟槽结构的深度为50μm，相邻两个所述微米级沟槽结构的尖端距离为50μm，所述微米级沟槽结构的倾斜锥形表面与铅锤面的夹角为20～30°。

4、优选的，所述纳米结构呈锋利的刀片状，高度为1μm。

5、优选的，所述油性液膜为氟化油。

6、本发明还提供了一种冷凝换热用沟槽微纳米结构油膜浸润表面的制备方法，包括如下步骤：

7、(1)对紫铜基底进行预处理：对紫铜基底进行打磨与抛光，并依次使用丙酮、乙醇、去离子水对紫铜基底分别超声清洗10min，以去除其表面污染物；

8、(2)微米级结构的加工：对步骤(1)处理过的紫铜基体上进行激光打标创造出沟槽阵列微结构，利用纯净的氮气吹去表面的碎屑，并使用去离子水在超声波清洗机中清洗10min，随后盐酸浸泡去除氧化物；

9、(3)纳米结构创建：将洗净的具有微米级结构的铜表面浸入95℃的碱性氧化溶液中刻蚀，保持10分钟，取出后用去离子水冲洗3次，并用氮气吹干；

10、(4)表面功能化：对v形槽微纳米结构表面进行化学修饰，采用气相沉积的方法形成自组装涂层；用1h,1h,2h,2h-全氟辛基三氯硅烷在常温真空条件下对表面进行化学气相沉积10分钟,对表面进行化学修饰使其具有超疏水性；

11、(5)油浸渍：在功能化的v形槽微纳米结构超疏水表面滴上氟化油，待氟化油形成均匀稳定的油膜后，用氮气吹去多余的油，即可得到一种沟槽微纳米结构阵列油膜表面。

12、优选的，所述步骤(2)中，激光参数：激光功率为30％，速度200mm/s频率5khz，加工次数为15次，盐酸溶液浓度为2mol/l，浸泡时间为2min。

13、优选的，所述步骤(3)中，所述碱性氧化溶液为naclo2、naoh、na3po4·12h2o以及去离子水的混合溶液，naclo2、naoh、na3po4·12h2o以及去离子水的质量比为3.75:5:10:100。

14、因此，本发明采用上述的一种冷凝换热用沟槽微纳米结构油膜浸润表面及制备方法和应用，具备以下有益效果：

15、(1)在所述微纳米复合结构表面上，纳米结构可以提供较大的毛细管力来容纳润滑剂，并沿微尺度地形提供低表面能的液体界面，以防止接触线钉扎。而沟槽阵列状的微米级结构如一个相互连接的表面框架，可以容纳高度疏水和机械脆弱的纳米结构，可以防止叶片状纳米结构被破坏，可以增加耐久性。并且微纳米分层结构可以增强悬浮在注入油层顶部的液滴的去除。

16、(2)液滴在冷凝表面上可以快速生长且始终保持珠状生长，且在注油表面上会发生液滴间的润湿脊重叠以促进液滴相互作用，缩短了液滴在重力诱导下脱离表面的时间，表面刷新频率快，保证了冷凝表面上的持续滴状冷凝，显著增强了冷凝换热的能力。

17、(3)在微纳米超疏水结构上注油，可以使液滴在冷凝表面上的接触角更小，成核速度更大，同时实现轻松去除液滴，与未注油的相同表面相比，换热性能提高了约100％。

18、(4)浸没在所述冷凝表面上的微纳米结构间的孔隙间的油可有效抑制腐蚀性介质向紫铜基底的渗透，增强了表面的抗腐蚀性以及耐久度。

19、(5)在所述冷凝表面上的润滑剂提供了一个稳定的、低摩擦的界面，降低了流体阻力，允许液滴轻易滑动或滚动。

20、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。