隨著(zhu)微(wei)電子機(ji)械(xie)(xie)(xie)系(xi)統(tong)(MEMS)的(de)(de)迅(xun)猛發展，機(ji)械(xie)(xie)(xie)設(she)(she)備(bei)(bei)的(de)(de)尺(chi)寸不斷減(jian)小(xiao)，固液界面(mian)(mian)(mian)相互作用(yong)顯著(zhu)影(ying)響微(wei)流體(ti)機(ji)械(xie)(xie)(xie)的(de)(de)性(xing)(xing)(xing)能(neng)。此外，微(wei)電子器(qi)件的(de)(de)小(xiao)型化(hua)，使裝置(zhi)的(de)(de)熱(re)(re)(re)(re)流密(mi)度(du)顯著(zhu)增加，微(wei)小(xiao)型設(she)(she)備(bei)(bei)的(de)(de)散熱(re)(re)(re)(re)問題面(mian)(mian)(mian)臨(lin)嚴峻挑(tiao)戰。微(wei)納米(mi)(mi)結(jie)(jie)構(gou)(gou)超(chao)疏(shu)(shu)水(shui)(shui)(shui)表(biao)面(mian)(mian)(mian)能(neng)夠調(diao)控液滴(di)(di)(di)動(dong)力學行為(wei)，強化(hua)滴(di)(di)(di)狀冷(leng)凝(ning)換(huan)(huan)熱(re)(re)(re)(re)，有利于提(ti)高微(wei)流體(ti)機(ji)械(xie)(xie)(xie)的(de)(de)性(xing)(xing)(xing)能(neng)，并(bing)為(wei)換(huan)(huan)熱(re)(re)(re)(re)設(she)(she)備(bei)(bei)的(de)(de)小(xiao)型化(hua)和高熱(re)(re)(re)(re)流密(mi)度(du)裝置(zhi)熱(re)(re)(re)(re)管理(li)系(xi)統(tong)性(xing)(xing)(xing)能(neng)的(de)(de)提(ti)升提(ti)供了新(xin)途徑。基于此背(bei)景(jing)，本文系(xi)統(tong)地(di)研究了微(wei)納米(mi)(mi)結(jie)(jie)構(gou)(gou)超(chao)疏(shu)(shu)水(shui)(shui)(shui)表(biao)面(mian)(mian)(mian)液滴(di)(di)(di)動(dong)力學行為(wei)與冷(leng)凝(ning)換(huan)(huan)熱(re)(re)(re)(re)特(te)性(xing)(xing)(xing)，主要(yao)內容(rong)包括:微(wei)納米(mi)(mi)結(jie)(jie)構(gou)(gou)疏(shu)(shu)水(shui)(shui)(shui)與超(chao)疏(shu)(shu)水(shui)(shui)(shui)表(biao)面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)制備(bei)(bei)及潤濕性(xing)(xing)(xing)表(biao)征、層(ceng)級微(wei)槽超(chao)疏(shu)(shu)水(shui)(shui)(shui)表(biao)面(mian)(mian)(mian)液滴(di)(di)(di)合并(bing)彈跳行為(wei)、微(wei)納米(mi)(mi)結(jie)(jie)構(gou)(gou)超(chao)疏(shu)(shu)水(shui)(shui)(shui)表(biao)面(mian)(mian)(mian)低濃度(du)乙醇溶液液滴(di)(di)(di)合并(bing)彈跳行為(wei)以及微(wei)槽疏(shu)(shu)水(shui)(shui)(shui)與層(ceng)級微(wei)槽超(chao)疏(shu)(shu)水(shui)(shui)(shui)表(biao)面(mian)(mian)(mian)蒸汽冷(leng)凝(ning)換(huan)(huan)熱(re)(re)(re)(re)特(te)性(xing)(xing)(xing)。

本文(wen)分別制備(bei)了(le)(le)層級(ji)微槽(cao)超疏(shu)(shu)(shu)水、CuO納米結(jie)(jie)(jie)構超疏(shu)(shu)(shu)水、微槽(cao)疏(shu)(shu)(shu)水和光滑疏(shu)(shu)(shu)水表(biao)面，并(bing)表(biao)征了(le)(le)所有制備(bei)表(biao)面的(de)潤濕性(xing)。結(jie)(jie)(jie)果表(biao)明，液滴在層級(ji)微槽(cao)結(jie)(jie)(jie)構和CuO納米結(jie)(jie)(jie)構的(de)超疏(shu)(shu)(shu)水表(biao)面呈(cheng)現穩定(ding)的(de)Cassie潤濕態(tai)(tai)，而(er)在微槽(cao)疏(shu)(shu)(shu)水表(biao)面的(de)Cassie潤濕態(tai)(tai)不穩定(ding)。槽(cao)道結(jie)(jie)(jie)構阻礙了(le)(le)液滴的(de)橫向(xiang)潤濕，導致微槽(cao)疏(shu)(shu)(shu)水和層級(ji)微槽(cao)超疏(shu)(shu)(shu)水表(biao)面呈(cheng)現各向(xiang)異性(xing)潤濕性(xing)，垂直槽(cao)道方向(xiang)的(de)接觸角大于沿槽(cao)道方向(xiang)的(de)接觸角。為了(le)(le)探究(jiu)微槽(cao)結(jie)(jie)(jie)構對液滴合并(bing)彈(dan)(dan)跳(tiao)過程流體力(li)學(xue)的(de)調控(kong)機制，本文(wen)搭建了(le)(le)液滴合并(bing)彈(dan)(dan)跳(tiao)可視化實(shi)驗(yan)系統，研究(jiu)并(bing)比較(jiao)了(le)(le)層級(ji)微槽(cao)超疏(shu)(shu)(shu)水與平超疏(shu)(shu)(shu)水表(biao)面的(de)液滴合并(bing)彈(dan)(dan)跳(tiao)行(xing)為。

研(yan)究發現(xian)，具有空(kong)間限制效應的(de)微槽(cao)(cao)結構對(dui)液(ye)(ye)滴(di)(di)合(he)(he)(he)并的(de)流體力學調控起著(zhu)關鍵作用。在層級微槽(cao)(cao)超疏水表(biao)面(mian)，槽(cao)(cao)內(nei)變形(xing)液(ye)(ye)滴(di)(di)在Laplace壓(ya)力差驅動下實現(xian)自彈(dan)(dan)(dan)跳，釋(shi)放的(de)表(biao)面(mian)能向動能的(de)轉化(hua)率約為8%。槽(cao)(cao)內(nei)變形(xing)液(ye)(ye)滴(di)(di)和槽(cao)(cao)外非變形(xing)液(ye)(ye)滴(di)(di)合(he)(he)(he)并彈(dan)(dan)(dan)跳的(de)能量轉化(hua)率高達46%，比平超疏水表(biao)面(mian)的(de)液(ye)(ye)滴(di)(di)合(he)(he)(he)并彈(dan)(dan)(dan)跳高出7.2倍，表(biao)明液(ye)(ye)滴(di)(di)合(he)(he)(he)并彈(dan)(dan)(dan)跳速度和能量轉化(hua)率的(de)提升取決于(yu)液(ye)(ye)滴(di)(di)表(biao)面(mian)曲率和集中于(yu)彈(dan)(dan)(dan)跳方向的(de)動量。

此(ci)外，本研(yan)究證實了液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)間凸出(chu)的(de)(de)微(wei)(wei)結(jie)構(gou)能夠通過對液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)內(nei)部動(dong)量(liang)(liang)的(de)(de)重新定向強化(hua)(hua)液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)合(he)(he)并(bing)(bing)(bing)彈(dan)(dan)(dan)(dan)跳(tiao)性(xing)能；而液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)間的(de)(de)凹槽(cao)結(jie)構(gou)弱化(hua)(hua)了合(he)(he)并(bing)(bing)(bing)液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)與表(biao)(biao)面(mian)(mian)的(de)(de)撞擊效應，導(dao)致(zhi)(zhi)液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)合(he)(he)并(bing)(bing)(bing)彈(dan)(dan)(dan)(dan)跳(tiao)性(xing)能惡化(hua)(hua)。為(wei)(wei)了明確液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)體(ti)表(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力對不同微(wei)(wei)納米(mi)結(jie)構(gou)超疏(shu)(shu)水(shui)(shui)表(biao)(biao)面(mian)(mian)液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)合(he)(he)并(bing)(bing)(bing)彈(dan)(dan)(dan)(dan)跳(tiao)的(de)(de)影(ying)響，本文研(yan)究并(bing)(bing)(bing)比較了去(qu)離子水(shui)(shui)、質(zhi)量(liang)(liang)分數為(wei)(wei)8%和(he)16%的(de)(de)低濃(nong)(nong)度乙醇溶液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)在(zai)平超疏(shu)(shu)水(shui)(shui)和(he)層級微(wei)(wei)槽(cao)超疏(shu)(shu)水(shui)(shui)表(biao)(biao)面(mian)(mian)的(de)(de)合(he)(he)并(bing)(bing)(bing)彈(dan)(dan)(dan)(dan)跳(tiao)行為(wei)(wei)。結(jie)果(guo)顯示(shi)，表(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力大(da)于(yu)40 m N/m且粘(zhan)度小(xiao)于(yu)2 m Pa·s的(de)(de)低濃(nong)(nong)度乙醇溶液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)在(zai)平超疏(shu)(shu)水(shui)(shui)表(biao)(biao)面(mian)(mian)的(de)(de)合(he)(he)并(bing)(bing)(bing)彈(dan)(dan)(dan)(dan)跳(tiao)由(you)慣(guan)性(xing)效應主(zhu)導(dao)，粘(zhan)性(xing)效應的(de)(de)影(ying)響可(ke)以忽略。液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)體(ti)表(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力的(de)(de)減(jian)小(xiao)僅(jin)導(dao)致(zhi)(zhi)液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)合(he)(he)并(bing)(bing)(bing)彈(dan)(dan)(dan)(dan)跳(tiao)速度的(de)(de)減(jian)小(xiao)，能量(liang)(liang)轉(zhuan)化(hua)(hua)率(lv)基本不變(bian)(bian)，維(wei)持在(zai)5.6%～6%之間。在(zai)層級微(wei)(wei)槽(cao)超疏(shu)(shu)水(shui)(shui)表(biao)(biao)面(mian)(mian)，液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)體(ti)表(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力減(jian)小(xiao)引起(qi)表(biao)(biao)面(mian)(mian)對液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)的(de)(de)粘(zhan)附效應增強，使槽(cao)內(nei)變(bian)(bian)形(xing)的(de)(de)低濃(nong)(nong)度乙醇溶液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)無(wu)法自(zi)彈(dan)(dan)(dan)(dan)跳(tiao)，而是在(zai)Laplace壓力差驅(qu)動(dong)下自(zi)發爬升，并(bing)(bing)(bing)懸浮(fu)于(yu)槽(cao)道上方。增強的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)粘(zhan)附改(gai)變(bian)(bian)了低濃(nong)(nong)度乙醇溶液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)合(he)(he)并(bing)(bing)(bing)過程(cheng)的(de)(de)形(xing)態(tai)演變(bian)(bian)，影(ying)響了其內(nei)部動(dong)量(liang)(liang)的(de)(de)傳遞，導(dao)致(zhi)(zhi)液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)合(he)(he)并(bing)(bing)(bing)彈(dan)(dan)(dan)(dan)跳(tiao)速度和(he)能量(liang)(liang)轉(zhuan)化(hua)(hua)率(lv)降低。

隨液(ye)體表面(mian)張力的(de)減小，受限微(wei)槽(cao)(cao)結(jie)(jie)構(gou)(gou)和(he)(he)液(ye)滴(di)(di)間凸起的(de)微(wei)結(jie)(jie)構(gou)(gou)對液(ye)滴(di)(di)合(he)并(bing)彈跳(tiao)(tiao)性(xing)(xing)能的(de)強化(hua)作(zuo)(zuo)用減弱(ruo)，而凹(ao)槽(cao)(cao)結(jie)(jie)構(gou)(gou)對液(ye)滴(di)(di)合(he)并(bing)彈跳(tiao)(tiao)性(xing)(xing)能的(de)弱(ruo)化(hua)作(zuo)(zuo)用增強。在上(shang)述研(yan)究(jiu)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)，本文搭(da)建(jian)了蒸汽冷(leng)(leng)(leng)凝(ning)可視化(hua)實驗系統(tong)，研(yan)究(jiu)了光滑疏(shu)水(shui)以(yi)及不(bu)同槽(cao)(cao)道(dao)方向的(de)微(wei)槽(cao)(cao)疏(shu)水(shui)和(he)(he)層級微(wei)槽(cao)(cao)超疏(shu)水(shui)表面(mian)的(de)冷(leng)(leng)(leng)凝(ning)換熱特性(xing)(xing)，探究(jiu)表面(mian)微(wei)納米(mi)結(jie)(jie)構(gou)(gou)和(he)(he)各向異性(xing)(xing)潤濕性(xing)(xing)對冷(leng)(leng)(leng)凝(ning)液(ye)滴(di)(di)動力學行為和(he)(he)換熱性(xing)(xing)能的(de)影響。研(yan)究(jiu)發現，層級微(wei)槽(cao)(cao)超疏(shu)水(shui)表面(mian)同時存在低(di)過(guo)冷(leng)(leng)(leng)度下(xia)(ΔT5 K)多個(ge)小冷(leng)(leng)(leng)凝(ning)液(ye)滴(di)(di)(100μm)的(de)合(he)并(bing)彈跳(tiao)(tiao)和(he)(he)較寬過(guo)冷(leng)(leng)(leng)度范圍內(ΔT12 K)槽(cao)(cao)內變形大液(ye)滴(di)(di)(400～500μm)的(de)受迫彈跳(tiao)(tiao)。

而且，槽(cao)(cao)內受限生(sheng)長的(de)(de)(de)大(da)冷(leng)(leng)(leng)凝(ning)液(ye)(ye)滴(di)會(hui)在Laplace壓力差的(de)(de)(de)作用下(xia)(xia)(xia)爬升至槽(cao)(cao)道頂(ding)部(bu)形成懸(xuan)浮(fu)(fu)液(ye)(ye)滴(di)，構成層級冷(leng)(leng)(leng)凝(ning)模式，有(you)效抑制了高過冷(leng)(leng)(leng)度(du)下(xia)(xia)(xia)的(de)(de)(de)泛液(ye)(ye)冷(leng)(leng)(leng)凝(ning)，強化了滴(di)狀(zhuang)冷(leng)(leng)(leng)凝(ning)換(huan)熱。低過冷(leng)(leng)(leng)度(du)下(xia)(xia)(xia)液(ye)(ye)滴(di)的(de)(de)(de)合并(bing)彈跳(tiao)和(he)彈跳(tiao)液(ye)(ye)滴(di)誘(you)導的(de)(de)(de)掃除以及高過冷(leng)(leng)(leng)度(du)下(xia)(xia)(xia)合并(bing)誘(you)導的(de)(de)(de)掃除和(he)懸(xuan)浮(fu)(fu)液(ye)(ye)滴(di)的(de)(de)(de)脫落等多(duo)種表(biao)面刷新(xin)方式使層級微槽(cao)(cao)超疏水表(biao)面具有(you)最(zui)佳的(de)(de)(de)滴(di)狀(zhuang)冷(leng)(leng)(leng)凝(ning)換(huan)熱性(xing)能，并(bing)消除了槽(cao)(cao)道各向異性(xing)潤濕性(xing)對(dui)滴(di)狀(zhuang)冷(leng)(leng)(leng)凝(ning)換(huan)熱的(de)(de)(de)影響。

然而，槽(cao)(cao)(cao)(cao)道的各向(xiang)(xiang)(xiang)異性潤(run)濕性顯著影響微槽(cao)(cao)(cao)(cao)疏(shu)水(shui)(shui)表(biao)(biao)面(mian)(mian)的滴狀冷凝。槽(cao)(cao)(cao)(cao)道結構增(zeng)加的換(huan)(huan)熱面(mian)(mian)積，槽(cao)(cao)(cao)(cao)內(nei)液(ye)(ye)柱(zhu)的滑落(luo)和(he)對相鄰凸臺上液(ye)(ye)滴的掃(sao)除(chu)與跨槽(cao)(cao)(cao)(cao)大液(ye)(ye)滴脫落(luo)相結合，提(ti)高了表(biao)(biao)面(mian)(mian)刷(shua)新頻率，使豎(shu)槽(cao)(cao)(cao)(cao)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)微槽(cao)(cao)(cao)(cao)疏(shu)水(shui)(shui)表(biao)(biao)面(mian)(mian)的冷凝換(huan)(huan)熱性能明顯優(you)于(yu)光滑疏(shu)水(shui)(shui)表(biao)(biao)面(mian)(mian)。但橫向(xiang)(xiang)(xiang)槽(cao)(cao)(cao)(cao)道消(xiao)除(chu)了槽(cao)(cao)(cao)(cao)內(nei)液(ye)(ye)柱(zhu)的滑落(luo)，并阻礙(ai)跨槽(cao)(cao)(cao)(cao)大液(ye)(ye)滴的脫落(luo)，不利于(yu)刷(shua)新表(biao)(biao)面(mian)(mian)，導致橫槽(cao)(cao)(cao)(cao)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)微槽(cao)(cao)(cao)(cao)疏(shu)水(shui)(shui)表(biao)(biao)面(mian)(mian)的冷凝換(huan)(huan)熱性能比(bi)光滑疏(shu)水(shui)(shui)表(biao)(biao)面(mian)(mian)更低。