【摘要】：研究表明冷凝液滴在超疏水表面上合并時(shí)可以誘發(fā)彈跳,而調(diào)控液橋撞擊壁面的位置能夠強(qiáng)化這一過(guò)程。今制備了兩種構(gòu)型的超疏水表面(只包涵納米結(jié)構(gòu)的平壁超疏水表面以及帶有三棱柱凸起結(jié)構(gòu)的超疏水表面),從液滴側(cè)部和底部?jī)蓚�(gè)方向協(xié)同拍攝了液滴在平壁超疏水表面上合并彈跳動(dòng)態(tài)過(guò)程;實(shí)驗(yàn)測(cè)量了液滴彈離壁面的速度并計(jì)算了相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)化率,研究了三棱柱的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)液滴彈跳速度的影響。結(jié)果表明,超疏水表面上液滴合并誘導(dǎo)彈跳過(guò)程可以分為四個(gè)階段:液橋生長(zhǎng)、液橋撞擊壁面、液滴底面積收縮及液滴彈離壁面;當(dāng)液滴在三棱柱凸起結(jié)構(gòu)上方合并時(shí),液滴彈離壁面的速度隨著三棱柱長(zhǎng)度增加而增大(三棱柱高度不變),且存在一個(gè)最大值;當(dāng)三棱柱長(zhǎng)度一定時(shí),液滴彈離壁面的速度亦隨著三棱柱的高度增加而增大。
【圖文】：

導(dǎo)彈跳這一動(dòng)態(tài)過(guò)程。液滴合并誘導(dǎo)彈跳過(guò)程可以分為四個(gè)階段：液橋生長(zhǎng)、液橋撞擊壁面、液滴底面積收縮以及液滴彈離壁面。為了改變液滴收縮過(guò)程中的水力學(xué)分布，設(shè)計(jì)了帶有三棱柱凸起結(jié)構(gòu)的超疏水表面。液滴彈離壁面的速度最高可達(dá)0.176ms1(0.53U)，相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)化率從平壁的3.9%提高到22.4%。研究表明，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的表面結(jié)構(gòu)，可以調(diào)控液橋撞擊壁面的位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)液滴彈跳過(guò)程的無(wú)源強(qiáng)化。2實(shí)驗(yàn)部分2.1超疏水表面的制備本文設(shè)計(jì)并制備了平壁超疏水表面(只含有納米結(jié)構(gòu))以及帶有三棱柱凸起結(jié)構(gòu)的超疏水表面，如圖1(c)、(d)所示。制備過(guò)程簡(jiǎn)述如下：平壁超疏水表面：在紫銅表面上采用氧化刻蝕和化學(xué)氣相沉積二步法制備出具有納米結(jié)構(gòu)的超疏水表面[6]。接觸角測(cè)試(OCAH200，Dataphysics)表明，水滴在超疏水表面的靜態(tài)接觸角為(162.4±2.2)°，，滯后角為(4.5±0.9)°。超疏水表面的結(jié)構(gòu)形貌掃描電鏡圖如圖1(a)、(b)所示，表面由刀片狀納米簇組成了緊密的陣列結(jié)構(gòu)。此外，為拍攝液滴底部收縮圖片，還制備了透明超疏水表面[20]，液滴在透明超疏水表面的靜態(tài)接觸角為(165.2±2.6)°，滯后角為(3.2±0.8)°。帶有三棱柱凸起結(jié)構(gòu)的超疏水表面：首先利用高精度數(shù)控雕刻機(jī)(MEII-4242，Woodpecker)在銅片表面加工出三棱柱凸起結(jié)構(gòu)(橫截面為等腰直角三角形)，然后按照前述的氧化刻蝕和化學(xué)氣相沉積二步法對(duì)表面進(jìn)行超疏水處理。帶有三棱柱凸起結(jié)構(gòu)的超疏水表面相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。2.2實(shí)驗(yàn)裝置采用低速推動(dòng)液滴的方法使兩個(gè)大小相同的液滴相互靠近，繼而發(fā)生液滴合并、彈跳現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)裝圖1不同結(jié)構(gòu)超疏水表面示意圖Fig.1Configurationofsuperhydrophobicsurfaceswithdesignedmacrostructures1mHDW(d)(c)(

疏水銅絲撥動(dòng)液滴，使得兩液滴中心連線在液滴推動(dòng)器的超疏水銅絲的延長(zhǎng)線上。旋轉(zhuǎn)液滴推動(dòng)器的測(cè)微頭，推動(dòng)液滴使其盡可能地相互靠近。然后，開(kāi)啟高速攝像系統(tǒng)，緩慢地旋轉(zhuǎn)測(cè)微頭，此時(shí)兩個(gè)液滴相互接觸而發(fā)生合并，繼而彈離超疏水表面。高速攝像的拍攝頻率為15000fps，采用背打光方式。實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件：室溫20℃，相對(duì)濕度50%。利用Image-ProPlus軟件對(duì)液滴形態(tài)進(jìn)行分析。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論3.1平壁超疏水表面上的液滴合并行為為了能夠更直觀地展現(xiàn)液滴合并誘導(dǎo)彈跳過(guò)程，從側(cè)面和底部?jī)蓚�(gè)方向同時(shí)進(jìn)行拍攝，所得序列圖如圖3所示(液滴半徑R=650m)。根據(jù)序列圖，可以把液滴合并誘導(dǎo)彈跳過(guò)程大致分為四個(gè)階段：(I)兩個(gè)液滴之間形成液橋并迅速長(zhǎng)大；(II)液橋生長(zhǎng)的后期由于壁面的阻礙，液橋撞擊壁面；(III)液滴合并為一個(gè)大的液滴，液滴收縮其底部固液接觸面積；(IV)液滴彈離超疏水表面，在空中伸縮振蕩。在階段I中，當(dāng)兩個(gè)液滴相互靠近時(shí)，兩液滴中間部位會(huì)形成液橋(0.20ms)，由于液橋部位彎液面呈負(fù)曲率，在表面張力作用下液橋迅速生長(zhǎng)；隨后液橋彎液面轉(zhuǎn)為正曲率，但由于此時(shí)液橋區(qū)域的曲率半徑仍大于主體區(qū)域，也就是說(shuō)此時(shí)主體區(qū)域的拉普拉斯壓力要大于液橋區(qū)域，因而主體區(qū)域液體仍流ideSview圖3透明超疏水表面液滴合并誘導(dǎo)彈跳過(guò)程序列圖Fig.3Thecoalescence-induceddropletjumpingontransparentSHSsideSviewBototmievwBototmievw2.93ms3.53ms4.20ms4.73ms8.20ms17.87ms0ms0.20ms1.13ms1.40ms2.13msStageIStageIIStageIIIStageIV1mm1mm圖2實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2Schematicdiagramoftheexperimentalsetup1.precisionmicrometerhead2.superhydrophobicwire3.
【作者單位】： 遼寧省化工資源清潔利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室大連理工大學(xué)化學(xué)工程研究所;
【基金】：國(guó)家自然科學(xué)基金(21476037)
【分類(lèi)號(hào)】：O647.1

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