[发明专利]一种强化滴状冷凝的亲疏水异质图型化表面及制备方法

说明书

本发明公开了一种强化滴状冷凝的亲疏水异质图型化表面及制备方法，依次对铜质基底的表面进行抛光处理、除油处理以得到完整干净的铜表面；采用化学蚀刻法蚀刻处理铜表面得到超亲水表面；在超亲水表面上旋转涂抹负型光刻胶；使用图型掩模版，在UV光下照射；在所述图型掩模版上的超亲水区域呈阵列排布的方形，且任意两相邻超亲水区域的间距保持一致；使用负型光刻胶显影剂对铜表面进行显影处理；在显影处理后的铜表面上旋转镀上氟化聚合物Cytop，在光刻胶覆盖位置以外的铜表面形成超疏水表面；采用剥离工艺加热固化铜基板获得超亲水/超疏水图型化组合表面。本发明所制备的亲疏水异质图型化表面能够增强滴状冷凝效率和提高表面的冷凝传热系数。

技术领域

本发明属于金属表面处理领域，尤其涉及一种强化滴状冷凝的亲疏水异质图型化表面及制备方法。

背景技术

蒸汽冷凝广泛存在于火力发电、工业余热利用以及建筑供热和制冷等工业领域。通常，根据冷凝表面的润湿性，冷凝模式可分为滴状冷凝和膜状冷凝。滴状冷凝发生在非润湿表面，能产生较好冷凝传热性能，其冷凝传热系数是膜状冷凝的5-10倍。膜状冷凝虽冷凝效果差，但其液滴成核热阻小，成核迅速。材料表面液滴静态接触角大于150°的表面称为超疏水表面，接触角小于10°称为超亲水表面。近年来，大量研究者通过制作超疏水表面形成滴状冷凝以提高冷凝传热性能。Ma等人在文献(Influence of processing conditions ofpolymer film on dropwise condensation heat transfer[J].International Journalof Heat and Mass Transfer,2002,45(16).)中采用离子束动态组合注入(DIMI)技术在铜管外壁制备得到了超疏水表面，并研究了其传热特性，实验结果表明，滴状冷凝相对于膜状冷凝其传热系数最大可提高约28.6倍。Miljkovic等人在文献(Jumping-droplet-enhancedcondensation on scalable superhydrophobic nanostructured surface[J].NanoLetter,2013,13,179-187.)中实验研究了超疏水表面液滴形态和滴状冷凝传热性能，具有纳米结构的超疏水表面相较于普通疏水表面，可使热通量提高25％，冷凝传热系数提高30％。

然而，研究发现，超疏水表面的液滴成核能量势垒要远大于超亲水表面，冷凝液滴成核密度也远小于超亲水表面，尤其在液滴成核的初始阶段。这意味着，在相同的冷凝条件下，膜状冷凝相较于滴状冷凝会在较短时间内率先发生核化，并在冷凝壁面上优先形成生一层液膜。因此，近年来，实现强化滴状冷凝传热性能的方法开始聚焦在制备混合润湿性的亲/疏水组合表面上。专利CN109732195A公开了一种利用脉冲激光技术在钛合金上制备超疏水-超亲水表面的方法，超疏水区和超亲水区呈楔形或三角形交替排列，但利用该方法中制备的表面因超亲水区和超疏水区域排列交错无序，不能对冷凝液滴的脱落直径和合并频率进行良好的调控，且激光加工制造成本相对较高。专利CN111069001A发明了一种仿生疏水-亲水表面的材料，通过在具有亲水性微米凸起的亲水-疏水区域相间存在的复合型表面上构建纳米凸起而形成的微纳复合型组合表面材料，液滴在该复合型亲水-疏水表面的静态接触角为90-130°，但是该复合型表面为非超亲水表面，非超疏水表面，未能充分发挥超亲水表面低成核热阻与超疏水表面高冷凝传热系数的优势。专利CN110255492A公开了一种利用激光加工技术在硅基底上制作超疏水超亲水区域分布表面的方法，该方法需结合化学修饰法、激光烧蚀加工与掩膜版紫外光下照射，加工难度高，成本大，且基底为非金属硅片材料，难以用到工程换热领域如冷凝换热器，高温蒸馏器中。

鉴于此，提供一种能在铜基上实现非均匀润湿特性的超亲水区域和超疏水区域有序可控分布，兼备液滴快速成核与高冷凝传热系数的优势，并对冷凝液滴的脱落直径、合并频率以及尺寸分布有序调控的表面及其制备方法，对强化滴状冷凝效率，降低能耗具有重要的意义。

发明内容