噴霧冷卻是一種實現(xiàn)設(shè)備散熱和溫控的新型散熱方式，借助液體蒸發(fā)相變實現(xiàn)高效散熱，尤其對電子芯片和固體激光器等高功率設(shè)備散熱具有巨大的開發(fā)和應用前景。然而，液滴撞擊過程中通常存在飛濺和回收的現(xiàn)象，限制了噴霧冷卻過程中界面散熱的均勻性，阻礙了噴霧冷卻過程中傳熱效率的提高。通過調(diào)節(jié)基底的表面形貌，實現(xiàn)可控的液滴撞擊行為，有望解決這一問題。前期關(guān)于表面形貌影響液滴的飛濺研究主要集中在表面的二維粗糙度Ra、Rrms和Rpk/Rsm，其中輪廓算術(shù)平均高度Ra作為決定臨界飛濺條件是一個非常熱點的問題。雖然表面的二維輪廓繪制在科學和工程領(lǐng)域得到廣泛應用，然而，所有表面都是在三維而非二維空間相互作用的。實際工程表面的三維形貌非常復雜，而國際標準中的二維參數(shù)不足以對粗糙表面進行精確的定量描述，如峰谷特征、各向異性和各向同性等。因此，無法深入了解表面形貌影響三相移動接觸線（液滴飛濺）的物理機制和內(nèi)在規(guī)律。其次，二維參數(shù)主要反映表面形貌截面輪廓的高度信息，而忽略了水平方向的輪廓信息，這直接導致二維參數(shù)與表面功能應用之間基本不存在相關(guān)性。例如，不同加工方法加工出的表面，其三維表面形貌差異很大，應用功能也不同，但表面粗糙度Ra卻相同或相似。
近日，合肥工業(yè)大學摩擦學研究所焦云龍副研究員（通訊作者）及劉焜教授課題組等人在《Small》期刊上發(fā)表了題為“Suppressed Droplet Splashing on Positively Skewed Surfaces for High-Efficiency Evaporation Cooling”的文章。該工作報道了液滴撞擊兩種粗糙度相同但表面形貌完全不同的功能表面，發(fā)現(xiàn)負偏態(tài)表面更易促進液滴飛濺，而正偏態(tài)表面抑制液滴飛濺。這主要是由于負偏態(tài)表面截留的空氣使的液膜在表面呈現(xiàn)Cassie-Baxter狀態(tài)，從而使液膜的穩(wěn)定毛細力超過空氣膜的失穩(wěn)應力，并進一步從微觀界面力學的角度分析了表面形貌對液滴鋪展的影響和三相移動接觸線的力學性能。最后，證明了所設(shè)計的正偏態(tài)表面可以利用高效蒸發(fā)進行大面積散熱。
真實固體表面的形貌具有隨機性，即使兩個表面粗糙度相同但它們的表面形貌可能完全不同。為了有效辨別出表面偏離平均平面的非對稱性分布情況，引入形貌高度分布偏斜度Ssk。偏斜度Ssk是用來衡量表面的凸峰和凹坑相對平均平面的對稱性。偏斜度Ssk能夠有效辨別出形貌高度分布的形狀，因此在統(tǒng)計學和工程應用中得到了廣泛的關(guān)注。表面形貌高度分布偏向于基準面上方時，則偏斜度Ssk > 0，此時表面形貌的凸峰占主導地位，稱為正偏態(tài)表面。當Ssk = 0時，表面形貌的凸峰和凹坑相對于基準面是對稱的，稱為高斯表面。當Ssk < 0時，表面的形貌高度分布偏向于基準面下方時，此時表面形貌的凹坑占主導地位，稱為負偏態(tài)表面。
圖1。具有不同幾何特征的三維表面形貌表征。a)微柱陣列的形貌和側(cè)視圖。b)微腔陣列的形貌和側(cè)視圖。c)微柱和微腔陣列的二維輪廓圖。d)不同位置輪廓的算術(shù)平均粗糙度Ra。e)表面三維形貌特征。f)Ssk曲線。
通過紫外皮秒激光加工出表面形貌完全不同的微觀結(jié)構(gòu)(凹坑和凸柱)，但是它們表面粗糙度Sa相同。為了探究結(jié)構(gòu)體三維表面形貌對液滴撞擊現(xiàn)象的影響，將潤濕性和表面形貌的影響進行去耦合。對于粗糙度Sa相同但形貌完全不同的表面，其表面的潤濕性幾乎相同。通過使用表面潤濕性幾乎相同的正、負偏態(tài)表面來進一步探究三維表面形貌對液滴飛濺及移動接觸線的影響。試驗現(xiàn)象表明負偏態(tài)表面(Ssk < 0)比正偏態(tài)表面(Ssk > 0)更易產(chǎn)生微液滴飛濺，并且隨著表面粗糙度Sa的增加，無論是正偏態(tài)表面還是負偏態(tài)表面產(chǎn)生液滴飛濺的臨界韋伯數(shù)閾值都呈現(xiàn)下降趨勢，但負偏態(tài)表面產(chǎn)生微液滴飛濺的臨界韋伯數(shù)閾值明顯低于正偏態(tài)表面，進一步證明了表面形貌會影響液滴的飛濺。
圖2。制備具有不同幾何特征的三維表面形貌及其對高速液滴撞擊結(jié)果的影響。a)皮秒激光制備的微柱陣列和微腔陣列示意圖。b)制備樣品的表面形貌。c)表面形貌對潤濕性的影響。d)表面形貌對水滴撞擊結(jié)果的影響。e) 表面形貌效應對液滴飛濺臨界韋伯數(shù)閾值的影響。
為了進一步探究表面粗糙度Sa相同的情況下負偏態(tài)表面更易促進液滴飛濺的原因，則詳細關(guān)注了液滴撞擊微結(jié)構(gòu)表面期間從液滴鋪展下方徑向逃逸的空氣。由于離散狀微柱表面(正偏態(tài)表面)在撞擊過程中為液滴下方氣體的逃逸提供了路徑，不適合用于量化逸出氣流的影響。因此，將著重關(guān)注逸出的空氣對負偏態(tài)表面上液滴飛濺的影響。由于氣流的排出，會使得液滴在互聯(lián)的微結(jié)構(gòu)表面呈現(xiàn)出類Cassie-Baxter態(tài)。當液滴在表面鋪展時，互聯(lián)微結(jié)構(gòu)的存在，使得液滴在撞擊到微結(jié)構(gòu)表面后會經(jīng)歷從垂直到徑向的劇烈重定向，迅速重定向的液膜接觸到微結(jié)構(gòu)會導致運動的不連續(xù)性，液膜前端的運動速度比潤濕面積增加的速度要快，使得液膜前端離開微結(jié)構(gòu)表面。液膜下方空氣流動的存在，給液膜提供了垂直方向的動量，使得液膜向上偏轉(zhuǎn)，最終在兩種應力相當?shù)那闆r下，導致液滴飛濺。
圖3。不同表面形貌的液滴撞擊示意圖及機理解釋。液滴撞擊微柱陣列(a)和微腔陣列(b)的氣體逃逸路徑示意圖。模擬液滴撞擊微柱陣列(c)和微腔陣列(d)表面的時間序列圖像和兩相分布。e-g)負偏態(tài)表面影響液滴飛濺的機理分析。
為了進一步了解空氣氣流對飛濺影響的作用，在不同環(huán)境壓強條件下進行液滴撞擊不同表面形貌的試驗。無論是正偏態(tài)表面還是負偏態(tài)表面，從移動接觸線前端飛濺出的子液滴隨著壓力的降低變得越來越少，則表明環(huán)境壓力的降低會抑制液滴飛濺。研究結(jié)果表明負偏態(tài)表面上液滴飛濺的現(xiàn)象受到壓強影響最大，而在環(huán)境壓強逐漸降低的過程中，可以觀察到不同的轉(zhuǎn)變過程。隨著We數(shù)增加至454時，可以發(fā)現(xiàn)液滴撞擊正偏態(tài)表面后出現(xiàn)微液滴飛濺被強化，而負偏態(tài)表面液滴飛濺由微液滴飛濺轉(zhuǎn)變?yōu)殡姇烇w濺，在隨著壓強逐漸降低的過程中，電暈飛濺逐漸被抑制，從而轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒁旱物w濺。因此，試驗結(jié)果表明液滴鋪展下方氣流的流動是造成不同表面形貌結(jié)構(gòu)影響液滴飛濺的原因。
圖4。壓力對液滴撞擊結(jié)果的影響。a)真空裝置原理圖。不同環(huán)境壓力下We≈264 (b)和We≈454 (c)下表面形貌對液滴撞擊表面結(jié)果的影響。
此外，進一步探究了We數(shù)對液滴撞擊不同表面形貌后形成液滴飛濺或沉積的影響。在低We數(shù)時，無論是正偏態(tài)表面還是負偏態(tài)表面，液滴撞擊后均沉積在表面上，未發(fā)生飛濺。隨著We數(shù)的繼續(xù)增大，無論是正偏態(tài)表面還是負偏態(tài)表面，液滴撞擊后在表面上均出現(xiàn)飛濺強化現(xiàn)象。當We數(shù)增加至686時，對于負偏態(tài)表面，液滴撞擊以后在表面形成電暈飛濺，液膜破裂形成二次小液滴(t = 1.0 ms，而對于正偏態(tài)表面，液滴撞擊以后將從液滴邊緣的固液氣三相接觸線飛出，形成快速飛濺；谝陨戏治隹芍陀谂R界快速飛濺We數(shù)閾值時，液滴將在表面周向鋪展，無飛濺出現(xiàn)。隨著We數(shù)的增加，液滴撞擊表面后形成快速飛濺，繼續(xù)增加We數(shù)可以強化液滴的快速飛濺，當We數(shù)增加到一定值時，撞擊表面后的快速飛濺向電暈飛濺轉(zhuǎn)變。
圖5。We數(shù)對不同幾何特征的三維形貌表面液滴撞擊結(jié)果的影響。(a) We≈172。(b) We≈256。(c) We≈429。(d) We≈686。
液滴在撞擊不同形貌表面后的慣性鋪展階段，表面形貌很大程度上會影響液滴三相接觸線的移動。液滴在微結(jié)構(gòu)表面最大鋪展因子明顯高于原始表面，其原因是表面粗糙結(jié)構(gòu)使得表面更親水，為液滴的鋪展提供了額外的驅(qū)動力和能量，從而促進液滴鋪展。并且液滴在原始表面的鋪展因子達到最大后，液滴開始回縮。與原始表面不同的是，液滴在微結(jié)構(gòu)表面鋪展達到最大鋪展因子后將釘扎在微結(jié)構(gòu)表面。通過分析三相接觸線的移動進一步解釋液滴在光滑表面鋪展到最大直徑后回縮以及在粗糙表面釘扎的原因。對于光滑平面，液滴邊緣三相接觸線移動時受到阻力小，以至于液滴能夠回縮。對于粗糙微結(jié)構(gòu)表面，由于粗糙度的存在，三相接觸線移動時受到阻力變大，使得液滴鋪展到最大直徑略收縮后釘扎在微結(jié)構(gòu)表面。
圖6；诒砻嫘蚊残娜嘁苿咏佑|線力學特性研究。(a)液滴撞擊不同表面形貌后無量綱直徑隨時間的變化。(b)液滴撞擊不同表面形貌對應的接觸線速度隨時間的變化。(c) We數(shù)對液滴撞擊表面后無量綱直徑直徑的影響。(d) We數(shù)對液滴撞擊表面后接觸線速度的影響。(e)表面形貌對液滴擴散的影響。(f)三相運動接觸線上的驅(qū)動力示意圖。
噴霧冷卻過程中液滴的蒸發(fā)速率和擴散行為決定了噴霧冷卻的效率，進一步探究了表面形貌對基板散熱行為的影響。與正偏態(tài)表面相比，相互連接的微腔結(jié)構(gòu)可以阻止氣體的快速逸出，導致氣體被壓縮，從而使氣體沿徑向排出。液滴與微腔表面之間的氣膜嚴重影響液滴與微腔表面之間的傳熱。因此，正偏態(tài)表面的散熱效率明顯優(yōu)于微腔表面。正偏態(tài)表面的微觀形貌調(diào)節(jié)的界面潤濕性將誘導更大的毛細力，從而允許液滴在撞擊表面后很長時間內(nèi)繼續(xù)擴散。持續(xù)擴散和微觀形貌的共同作用使液滴在正偏態(tài)表面上實現(xiàn)了更大的固液接觸面積，強化了傳熱，使液滴在正偏態(tài)表面上蒸發(fā)得更快，從而導致大面積散熱。
圖7。基底表面形貌對蒸發(fā)散熱特性的影響。(a)水滴撞擊不同形貌表面的散熱示意圖。(b)液滴撞擊不同形貌表面的熱像。(c)表面形貌對單液滴蒸發(fā)時間的影。(d)噴霧冷卻過程中不同形貌表面的平均溫度隨時間的關(guān)系。(e)液滴撞擊不同形貌表面后的擴散過程。
該工作報道了在去耦潤濕性的影響下液滴撞擊具有不同幾何特征的粗糙表面時負偏態(tài)表面更容易促進液滴濺射。通過調(diào)節(jié)基底的表面形貌，實現(xiàn)可控的液滴撞擊行為能夠有效提高噴霧冷卻過程中蒸發(fā)散熱的均勻性與效率。影響液滴飛濺和三相接觸線運動的表面形貌效應可能對工業(yè)、農(nóng)業(yè)和航空航天領(lǐng)域的應用產(chǎn)生深遠的影響，包括農(nóng)業(yè)灌溉和農(nóng)藥的噴灑以及水下可持續(xù)減阻的實現(xiàn)。
本論文第一作者為合肥工業(yè)大學已畢業(yè)博士王兆長，現(xiàn)為安徽工業(yè)大學機械工程學院青年教師（人才引進），研究領(lǐng)域包括固-液接觸界面摩擦行為調(diào)控及流體界面物理力學與液滴動力學。目前以第一作者在Small、ACS Applied Materials & Interfaces、Applied Physics Letters、《中國科學：物理學 力學 天文學》等國內(nèi)外知名學術(shù)期刊已發(fā)表/已錄用相關(guān)研究論文8篇。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202307759
