[发明专利]一种改变高温固体表面液滴浸润性的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种改变高温固体表面液滴浸润性的方法，可以有效提高传热效率、强化传热技术，节约能源利用率。

背景技术

液滴撞击高温固体表面的过程与众多工业过程紧密相关，存在于内燃机燃烧、喷淋冷却、喷墨打印、等离子体溅射等过程中。撞击液滴与固体壁面的作用机制直接决定了上述过程的传热实施效果。因此强化固液间的传热效率，对于适应如今经济发展中节能环保的新方向有着重要的积极意义。

我们知道，在固液传热过程中，冷却液通常在高温固体表面铺展。固液间传热效率较快，会发生气液相的转变从而带走高温固体表面的热量，从而实现高温设备的快速冷却。若继续升高温度到达过渡沸腾阶段时，固体和液体间就达到了最大热通量。若温度进一步升高，则由于气泡生长速度过快，在逃离固体表面前即会相互合并连接，使传热受到限制，最终在固体表面形成连续的蒸气膜。蒸汽膜将液体与高温表面隔离开来，液滴会悬浮于该蒸气膜之上。此时，液滴与固体表面完全不浸润，发生浸润状态的改变(液滴的去浸润)，这种现象被称为Leidenfrost效应，此时所对应的温度称为Leidenfrost温度，也是液滴的浸润转变温度。由于该温度下蒸汽膜的导热性很差，液滴的蒸发过程就会很慢，传热效率也会降低，最终导致固体表面的热量不能被及时带走，高温设备可能会因过热而被烧坏。因此，在实际生产中，为了提高传热过程中的传热效率，我们就要避免膜沸腾的前提下，尽量提高固液传热效率。

然而沸腾传热的本质，是当固体表面温度高于水的沸点时，固体表面与水之间的一系列浸润与去浸润行为，因此，固体表面的化学组成和微观结构，必然极大的影响着其固液传热性能。而至今，却尚未有人系统全面的提出高温固体表面结构和化学组成对其高温下浸润行为的影响。

此外，传热介质对液滴高温固体表面的行为起着很重要的作用。沉积的传热介质可以改变固体表面的浸润性，甚至是粗糙度，影响液滴在高温固体表面的浸润转变温度。

本发明提供一种改变高温固体表面液滴浸润性的方法，通过协调界面的微观结构和化学组成以及改变工作液滴的物理化学性质，可以有效实现强化传热、减阻等，提高能源利用率，节约资源。

发明内容

本发明的目的在于提供一种针对现有技术中存在的问题，本发明为解决现有的高负荷高效率的传热需求，本发明提供一种改变高温固体表面液滴浸润性的方法，通过协调固体界面的微观结构和化学组成以及改变工作液滴的物理化学性质，方法相对简单，经济环保，具有很好的可实施性。

本发明提供的调控高温固体表面液滴浸润性转变的方法，具体包括：

第一步，工作液滴的选择；

第二步，硅片的清洗；

第三步，表面结构的制备；

第四步，疏水表面的构建。

其中，所述第一步可以选择去离子水、表面活性剂十二烷基磺酸钠SDS的水溶液、SiO₂纳米流体以及氧化铁胶体等作为工作液滴。

其中，所述第二步进一步具体为将光滑硅片(P型，晶向100)和具有微米结构的硅片(利用掩膜版北大微纳加工实验室利用掩膜版刻蚀P性、晶向100光滑硅得到)分别依次浸入丙酮、乙醇中超声15min，用水冲后，然后浸入98％硫酸与双氧水体积比为3：1的溶液中，在80℃下加热30min，取出用大量水冲洗，此时硅片为亲水。

其中，所述第三步中可以构建纳米线阵列表面结构或微纳米复合阵列表面结构的硅片。

其中，第三步进一步具体为：

制备硅纳米线阵列：配置HF和硝酸银的混合反应液，倒入到聚四氟乙烯反应釜中，加入第二步清洗的光滑硅，加盖置于50℃烘箱中加热反应20min。因聚四氟反应釜釜壁较厚，为确保反应效果，在加入硅片前，应提前将反应液放入50℃烘箱中预热10min。反应20min后取出硅片，用硝酸浸泡15s左右以去除样品表面覆盖的灰色的银的膜，然后用大量水冲洗，高纯氮气吹干,

制备微纳米复合结构：配置HF和硝酸银的混合反应液，倒入到聚四氟乙烯反应釜中，加入第二步清洗的硅微米柱片，加盖置于50℃烘箱中加热反应20min。因聚四氟反应釜釜壁较厚，为确保反应效果，在加入硅片前，应提前将反应液放入50℃烘箱中预热10min。反应时间控制氢为10min，否则腐蚀时间过长，会将微米柱给刻蚀掉。取出硅片，用硝酸浸泡15s左右以去除样品表面覆盖的灰色的银的膜，然后用大量水冲洗，高纯氮气吹干。