超疏水表面上冷凝液滴发生弹跳的机制与条件分析

使用液滴合并前后的体积和表面自由能守恒作为两个限制条件,确定了合并液滴的初始形状,即为偏离平衡态的亚稳态液滴,具有缩小其底半径而向平衡态液滴转变的推动力.进而分析了液滴变形过程中的推动力和三相线(TPCL)上的滞后阻力,建立了液滴变形的动态方程并进行了差分求解.如果液滴能够变形至底半径为0mm的状态,则根据该状态下液滴重心上移的速度确定液滴的弹跳高度.不同表面上冷凝液滴合并后的变形行为的计算结果表明,光滑表面上的液滴合并后,液滴只能发生有限的变形,一般都在达到平衡态之前就停止了变形,因此冷凝液滴不会发生弹跳;粗糙表面上的Wenzel态液滴的三相线上的滞后阻力更大,因而液滴更难以变形和弹跳;具有微纳二级结构表面上只润湿微米结构,但不润湿纳米结构的部分Wenzel态液滴能够变形至Cassie态,但没有明显的弹跳;只有在纳米或微纳二级结构表面上的较小Cassie态液滴合并后,液滴易于变形至底半径为0mm的状态并发生弹跳.因此,Cassie态合并液滴处于亚稳态,并且其三相线上的移动阻力很小,是导致冷凝液滴弹跳的关键因素.     

超疏水表面微纳二级结构对冷凝液滴最终状态的影响

从超疏水表面(SHS)上初始冷凝液核长大、合并、形成初始液斑开始,分析计算了冷凝液斑变形成为Wenzel或Cassie液滴过程中界面能量的变化,并以界面能曲线降低、是否取最小值为判据,确定冷凝液滴的最终稳定状态.计算结果表明:在只有微米尺度的粗糙结构表面上,冷凝液滴的界面能曲线一般都是先降低再升高,呈现Wenzel状态;而当表面具有微纳米二级粗糙结构,且纳米结构的表面空气面积分率较高时,冷凝液滴的能量曲线持续降低,直至界面能最小的Cassie状态,因此可以自发地形成Cassie液滴.还计算了文献中具有不同结构参数的SHS上冷凝液滴的状态和接触角,并与实验结果进行了比较,结果表明,计算的冷凝液滴状态与实验观察结果完全吻合.因此,微纳二级结构是保持冷凝液滴在SHS上呈现Cassie状态的重要因素.     

纳米结构表面上冷凝液滴的生长模式及部分润湿液滴的形成机制

分析并计算了纳米结构表面上冷凝液滴按照不同途径长大的过程中液滴能量的增加速率, 并以能量增加最小为判据来确定液滴的生长途径. 结果表明, 纳米结构内形成的冷凝液斑在初期按接触角(CA)增加的模式生长时, 其能量增加速率远低于其它模式, 于是, 初始液斑先按增大接触角、并保持底面积不变的模式生长, 直至液滴达到前进角状态. 此后, 沿接触角增加的模式长大所导致的能量增加速率开始远高于其它生长模式, 于是液滴三相线开始移动, 底面积开始增加, 但接触角保持不变. 液滴所增加的底面积可以呈润湿或复合两种状态, 分别形成Wenzel 液滴及部分润湿液滴, 前者的表观接触角一般小于160°, 而后者则明显大于160°. 液滴的生长模式及其润湿状态均与纳米结构参数密切相关, 仅当纳米柱具有一定高度、且间距较小时, 冷凝液滴才能呈现部分润湿状态. 最后, 本模型对纳米结构表面上冷凝液滴润湿状态的计算结果与绝大部分实测结果相一致, 准确率达到91.9%, 明显高于已有公式的计算准确率.     

纳米结构表面上部分润湿液滴合并诱导弹跳的理论研究

部分润湿液滴是适宜纳米结构表面上滴状冷凝传热的主要载体,研究纳米结构参数与部分润湿液滴合并弹跳之间的关系有重要意义,本文依据冷凝液滴生长过程中能量增加最小的原理来判断其是否为部分润湿状态,并根据液滴合并前后的体积和界面自由能守恒,确定了合并液滴的初始形状,进而对合并液滴变形过程的动力学方程进行了求解,结果表明:部分润湿冷凝液滴仅在纳米柱具有一定高度、直径间距比较大的表面上形成,而当纳米柱高度过低、直径间距比小于0.1时则形成完全润湿的冷凝液滴;液滴合并后能否弹跳与纳米结构参数紧密相关,仅在纳米柱较高、直径间距比适宜的表面上,部分润湿液滴合并后才能诱发弹跳;液滴尺度及待合并液滴间的尺度比对合并弹跳也有重要影响;多个部分润湿液滴合并后由于具有更多的过剩界面自由能而比两个液滴合并更容易诱发弹跳,本模型对纳米结构表面上冷凝液滴是否合并诱发弹跳的计算结果与绝大部分实测结果相一致,准确率达到95%。