基于纳米阵列的非均匀润湿性表面构建及其结露和结霜特性研究

摘要

结露和结霜是各种低温、制冷设备或系统中冷表面常见的相变传热传质现象。多数情况下，结露、结霜不仅消耗能量，而且还会增大传热面热阻，降低传热效率，甚至造成系统堵塞，严重影响着设备的工作效率和运行安全。以最耗能家电空调为例，夏季制冷和除湿时室内机蒸发器翅片表面结露，冬季制热时室外机冷凝器翅片表面结霜，是高能耗的主要原因之一。翅片表面露和霜更有效的脱附技术，一直是空调行业亟待解决的问题之一，同时也是冷凝传热、低温多效海水淡化、空气源热泵等领域关注的研究热点之一。在超疏水表面研究的基础上，本论文结合超亲水表面的特点，开展基于纳米阵列的非均匀超浸润性表面构建技术研究，并深入分析该表面的结露和结霜特性，旨在实现露和霜的有效控制和高效脱附。主要研究内容如下:
　　首先利用溶液合成ZnO法，在近室温水浴条件中，在铜片、玻璃、PET聚合物等表面构建了高规整度的透明ZnO纳米阵列，氟硅烷修饰改性后都达到了低黏附超疏水态，接触角＞150°，滚动角＜4°。研究了晶种层溶胶浓度和液相生长时间对纳米阵列结构尺寸、润湿性和透明性的影响，发现晶种层溶胶的浓度会影响ZnO纳米棒之间的距离，液相生长时间会影响ZnO纳米棒的直径，从而影响样品的透明性。当晶种层溶胶浓度0.1M，水浴生长时间0.5h时，ZnO纳米棒平均高度750nm，纳米棒的平均直径60nm，平均间距60mn，可见光平均透过率达95％，接触角为153.7°，滚动角为2.7°，显示出高透明性和优异的超疏水性。
　　随后，以铜片表面超疏水纳米阵列为基底，利用模板选区光催化分解技术，构建了阵列超亲水微区，获得同时具有纳米超疏水区和超亲水区的非均匀润湿性表面。研究表明，超亲水区的几何特征对非均匀润湿性表面结露过程有显著影响。与单一超疏水表面相比，非均匀润湿性表面超疏水区具有明显的滴状冷凝特点，而超亲水区则显示出膜状冷凝的特点，显著提高了表面的结露量，且随超亲水区占比增大而增加。具有圆形超亲水区非均匀润湿性表面的结露量为超疏水表面的2倍以上，楔形超亲水区非均匀润湿性表面的结露量则进一步提高，比圆形区表面增加了70％以上。可见，非均匀润湿性表面既具有超疏水表面滴状冷凝特性，也具有超亲水表面膜状冷凝特点。通过后续的超亲水区几何尺寸优化研究，有望实现露滴的高形核率和高脱附率，从而提高表面的传热效率。
　　与结露行为类似，非均匀润湿性表面结霜时，超亲水区占比越大，结霜量越大，霜高越高，且超亲水区的楔形几何特征可进一步促进结霜。融霜试验结果表明，圆形超亲水区非均润润湿性表面水滴残留量大于超疏水表面，但小于原始铜片亲水表面。结霜量越大的表面，残留水量也越大。与之相比，楔形超亲水区非均润润湿性表面融霜残留水量和残留水覆盖率均较小，显示出较好的脱附特性。分析认为，非均匀润湿性表面综合了超疏水表面和超亲水表面的优势，不但具有纳米超疏水表面露和霜易脱附的特性，而且具有超亲水表面露和霜高效形核特征，有利于进一步提高传热特性特性。同时，利用楔形几何对该区域液体产生的拉普拉斯压差，使得露和霜超楔形底部快速迁移，从而进一步促进了露和霜的形成，并增加了露和霜的脱附效率。
　　可以看出，本论文通过纳米超疏水表面的可控构建技术和局部微区选择性改变技术研究，构建的具有超疏水/超亲水特性的非均匀润湿性表面，显著提升了结露和融霜速度，并通过楔形几何构建促进了超亲水区露和霜的脱附。上述研究不仅能为仿生纳米技术用于解决低温、制冷领域的传统问题奠定基础，推动行业节能降耗技术进步，同时为开发高效传热表面提供新思路，具有重要的科学意义和学术价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 冷凝结露和结霜现象

1．2 结露和结霜的控制技术研究现状

1．2．1 结露现象控制技术的研究现状

1．2．2 结霜现象控制技术的研究现状

1．3 超浸润性表面的冷凝结露和结霜特性

1．3．1 润湿理论

1．3．2 冷凝结露特性

1．3．3 结霜特性

1．4 超疏水表面用于抗露防霜时存在的主要问题

1．5 非均匀润湿性表面的现状

1．6 研究目的及研究内容

1．6．1 研究目的

1．6．2 研究内容

第二章 工艺路线以及研究方法

2．1 工艺路线

2．2 实验材料与仪器

2．2．1 试验材料

2．2．2 试验仪器

2．3 纳米结构阵列的可控构建方法

2．3．1 金属铜表面纳米结构的制备

2．3．2 透明玻璃表面纳米结构的制备

2．3．3 聚合物表面纳米结构的制备

2．4 表面化学组成的可控构建

2．5 表面特征的表征与测试

2．5．1 形貌、成分以及物相表征

2．5．2 润湿特性测试

2．5．3 透光率的测定

2．6 冷凝结露实验以及统计方法

2．7 结霜实验以及统计方法

2．7．1 霜层厚度测量

2．7．2 霜晶覆盖速率

2．7．3 融霜试验

第三章 不同基材ZnO纳米结构的可控构建及其透明性与润湿性研究

3．1 金属铜表面纳米结构的制备以及性能表征

3．2 非金属基底表面纳米结构的制备以及性能表征

3．2．1 盖玻片表面ZnO纳米结构的制备以及性能表征

3．2．2 载玻片表面ZnO纳米结构的的制备以及性能表征

3．2．3 PET片表面ZnO纳米结构的的制备

3．3 FTO玻璃表面ZnO纳米结构的制备及调控

3．3．1 晶种层浓度和生长时间对结构的影响

3．3．2 晶种层浓度和生长时间对结构尺寸参数的影响

3．3．3 晶种层浓度和生长时间对润湿性和透明性的影响

3．4 本章小结

第四章 基于纳米阵列的非均匀超浸润表面构建及其结露特性研究

4．1 超疏水-超亲水圆点阵列非均匀超浸润表面构建

4．2 各类超浸润表面冷凝结露特性

4．2．1 浸润性的影响

4．2．2 圆点阵列图案的影响

4．3 超疏水超亲水楔形阵列非均匀超浸润表面构建

4．4 楔形阵列图案的影响

4．5 优化的楔形阵列影响

4．6 凝露机理分析

4．7 本章小结

第五章 基于纳米阵列的非均匀超浸润表面结霜特性研究

5．1 各类超浸润表面冷凝结霜特性

5．1．1 浸润性的影响

5．1．2 圆点阵列图案的影响

5．1．3 楔形阵列图案的影响

5．2 各类超浸润表面融霜特性

5．2．1 浸润性的影响

5．2．2 圆点阵列图案的影响

5．2．3 楔形阵列图案的影响

5．2．4 优化的楔形阵列图案的影响

5．3 结霜机理分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其成果

参考文献