隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的迅猛發(fā)展，機(jī)械設(shè)備的尺寸不斷減小，固液界面相互作用顯著影響微流體機(jī)械的性能。此外，微電子器件的小型化，使裝置的熱流密度顯著增加，微小型設(shè)備的散熱問題面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。微納米結(jié)構(gòu)超疏水表面能夠調(diào)控液滴動(dòng)力學(xué)行為，強(qiáng)化滴狀冷凝換熱，有利于提高微流體機(jī)械的性能，并為換熱設(shè)備的小型化和高熱流密度裝置熱管理系統(tǒng)性能的提升提供了新途徑。基于此背景，本文系統(tǒng)地研究了微納米結(jié)構(gòu)超疏水表面液滴動(dòng)力學(xué)行為與冷凝換熱特性，主要內(nèi)容包括:微納米結(jié)構(gòu)疏水與超疏水表面的制備及潤(rùn)濕性表征、層級(jí)微槽超疏水表面液滴合并彈跳行為、微納米結(jié)構(gòu)超疏水表面低濃度乙醇溶液液滴合并彈跳行為以及微槽疏水與層級(jí)微槽超疏水表面蒸汽冷凝換熱特性。

本文分別制備了層級(jí)微槽超疏水、CuO納米結(jié)構(gòu)超疏水、微槽疏水和光滑疏水表面，并表征了所有制備表面的潤(rùn)濕性。結(jié)果表明，液滴在層級(jí)微槽結(jié)構(gòu)和CuO納米結(jié)構(gòu)的超疏水表面呈現(xiàn)穩(wěn)定的Cassie潤(rùn)濕態(tài)，而在微槽疏水表面的Cassie潤(rùn)濕態(tài)不穩(wěn)定。槽道結(jié)構(gòu)阻礙了液滴的橫向潤(rùn)濕，導(dǎo)致微槽疏水和層級(jí)微槽超疏水表面呈現(xiàn)各向異性潤(rùn)濕性，垂直槽道方向的接觸角大于沿槽道方向的接觸角。為了探究微槽結(jié)構(gòu)對(duì)液滴合并彈跳過程流體力學(xué)的調(diào)控機(jī)制，本文搭建了液滴合并彈跳可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究并比較了層級(jí)微槽超疏水與平超疏水表面的液滴合并彈跳行為。

研究發(fā)現(xiàn)，具有空間限制效應(yīng)的微槽結(jié)構(gòu)對(duì)液滴合并的流體力學(xué)調(diào)控起著關(guān)鍵作用。在層級(jí)微槽超疏水表面，槽內(nèi)變形液滴在Laplace壓力差驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)自彈跳，釋放的表面能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化率約為8%。槽內(nèi)變形液滴和槽外非變形液滴合并彈跳的能量轉(zhuǎn)化率高達(dá)46%，比平超疏水表面的液滴合并彈跳高出7.2倍，表明液滴合并彈跳速度和能量轉(zhuǎn)化率的提升取決于液滴表面曲率和集中于彈跳方向的動(dòng)量。

此外，本研究證實(shí)了液滴間凸出的微結(jié)構(gòu)能夠通過對(duì)液滴內(nèi)部動(dòng)量的重新定向強(qiáng)化液滴合并彈跳性能；而液滴間的凹槽結(jié)構(gòu)弱化了合并液滴與表面的撞擊效應(yīng)，導(dǎo)致液滴合并彈跳性能惡化。為了明確液體表面張力對(duì)不同微納米結(jié)構(gòu)超疏水表面液滴合并彈跳的影響，本文研究并比較了去離子水、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%和16%的低濃度乙醇溶液液滴在平超疏水和層級(jí)微槽超疏水表面的合并彈跳行為。結(jié)果顯示，表面張力大于40 m N/m且粘度小于2 m Pa·s的低濃度乙醇溶液液滴在平超疏水表面的合并彈跳由慣性效應(yīng)主導(dǎo)，粘性效應(yīng)的影響可以忽略。液體表面張力的減小僅導(dǎo)致液滴合并彈跳速度的減小，能量轉(zhuǎn)化率基本不變，維持在5.6%～6%之間。在層級(jí)微槽超疏水表面，液體表面張力減小引起表面對(duì)液滴的粘附效應(yīng)增強(qiáng)，使槽內(nèi)變形的低濃度乙醇溶液液滴無法自彈跳，而是在Laplace壓力差驅(qū)動(dòng)下自發(fā)爬升，并懸浮于槽道上方。增強(qiáng)的表面粘附改變了低濃度乙醇溶液液滴合并過程的形態(tài)演變，影響了其內(nèi)部動(dòng)量的傳遞，導(dǎo)致液滴合并彈跳速度和能量轉(zhuǎn)化率降低。

隨液體表面張力的減小，受限微槽結(jié)構(gòu)和液滴間凸起的微結(jié)構(gòu)對(duì)液滴合并彈跳性能的強(qiáng)化作用減弱，而凹槽結(jié)構(gòu)對(duì)液滴合并彈跳性能的弱化作用增強(qiáng)。在上述研究的基礎(chǔ)上，本文搭建了蒸汽冷凝可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了光滑疏水以及不同槽道方向的微槽疏水和層級(jí)微槽超疏水表面的冷凝換熱特性，探究表面微納米結(jié)構(gòu)和各向異性潤(rùn)濕性對(duì)冷凝液滴動(dòng)力學(xué)行為和換熱性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，層級(jí)微槽超疏水表面同時(shí)存在低過冷度下(ΔT5 K)多個(gè)小冷凝液滴(100μm)的合并彈跳和較寬過冷度范圍內(nèi)(ΔT12 K)槽內(nèi)變形大液滴(400～500μm)的受迫彈跳。

而且，槽內(nèi)受限生長(zhǎng)的大冷凝液滴會(huì)在Laplace壓力差的作用下爬升至槽道頂部形成懸浮液滴，構(gòu)成層級(jí)冷凝模式，有效抑制了高過冷度下的泛液冷凝，強(qiáng)化了滴狀冷凝換熱。低過冷度下液滴的合并彈跳和彈跳液滴誘導(dǎo)的掃除以及高過冷度下合并誘導(dǎo)的掃除和懸浮液滴的脫落等多種表面刷新方式使層級(jí)微槽超疏水表面具有最佳的滴狀冷凝換熱性能，并消除了槽道各向異性潤(rùn)濕性對(duì)滴狀冷凝換熱的影響。

然而，槽道的各向異性潤(rùn)濕性顯著影響微槽疏水表面的滴狀冷凝。槽道結(jié)構(gòu)增加的換熱面積，槽內(nèi)液柱的滑落和對(duì)相鄰?fù)古_(tái)上液滴的掃除與跨槽大液滴脫落相結(jié)合，提高了表面刷新頻率，使豎槽方向微槽疏水表面的冷凝換熱性能明顯優(yōu)于光滑疏水表面。但橫向槽道消除了槽內(nèi)液柱的滑落，并阻礙跨槽大液滴的脫落，不利于刷新表面，導(dǎo)致橫槽方向微槽疏水表面的冷凝換熱性能比光滑疏水表面更低。