激光选区微织构增强不锈钢表面冷凝传热

摘要

目的针对特殊润湿性表面常用的化学法修饰具有高污染、热阻大和加工周期长的缺点,采用无化学的激光选区微织构技术增强不锈钢表面冷凝传热性能。方法用纳秒脉冲光纤激光正交扫描微织构不锈钢表面,获得正方形网格沟槽-凸起结构的超亲水表面,在电热恒温干燥箱中热处理降低其表面自由能,获得接触角156.7°与滚动角4.2°的不锈钢超疏水表面。然后对超疏水表面进行激光二次微织构,制备出楔形超疏水-超亲水选区微织构表面。通过SEM、XPS及三维光学显微镜分析表面形貌、化学成分及三维轮廓。对比单一超亲水、超疏水及原始表面,测得试样背面温度、冷凝水量和冷凝液滴平均脱落直径,根据相关冷凝传热理论公式计算出四种试样的表面冷凝传热系数。结果冷凝实验表明,楔形选区微织构表面冷凝传热系数可达到(159.7±1.8) W/(m^2·K),其表面冷凝液滴平均脱落直径达到1.2 mm,约为单一超疏水表面冷凝传热系数的2.0倍,冷凝液滴平均脱落直径为全超疏水的55%。结论选区微织构表面超亲水楔形通道对液流有自驱动作用,使冷凝液快速汇聚后脱离冷凝表面,这一选区微织构图案相比单一原始、超亲水及超疏水表面拥有更好的冷凝传热效果;同时表面冷凝液滴平均脱落直径减小,从而具有更高的冷凝传热系数。