铜基表面氧化锌纳米结构的构筑及滴状冷凝传热性能研究

发布时间：2020-11-21 02:56

　　 冷凝相变传热作为自然界中一种普遍存在的现象,在发电、热管理、海水淡化、环境控制等领域都具有广泛应用。而增强冷凝过程中的热量运输及提高冷凝传热效率也日益成为人们科学研究的焦点。相比膜状冷凝,滴状冷凝是一种更为有效的传热模式,因为离散的冷凝液滴相比连续液膜有明显更低的热阻,并且可释放更多的位点用于更多频次的冷凝成核、生长、融合及驱离,而通过材料表面疏水化改性将进一步强化材料的滴状冷凝传热性能,提高热量利用率。本文以此为切入点,在铜基表面构筑了氧化锌(ZnO)纳米铅笔结构及优化后的氧化锌纳米针锥结构,在经低表面能物质修饰后对样品表面微液滴的冷凝动态行为及界面现象进行了定量统计及定性分析。进一步地对其滴状冷凝传热性能进行测试,并对其实现高效冷凝传热的机理进行了简要分析。该研究对于理解纳米结构特征参数与冷凝传热性能的构效关系具有十分重要的意义,同时为设计开发高性能传热纳米界面材料及先进热控器件以实现高效的能源利用提供了条件。本论文主要研究内容如下:(1)采用直接化学浴方法实现了铜基表面密排列的ZnO纳米铅笔结构的原位构筑,经过低表面能化学修饰后,纳米结构表面展现出很好的超疏水性及冷凝微滴自驱离性能。结合高速高分辨率三维显微成像仪的观察,系统地比较了冷凝微液滴在超疏水纳米表面和疏水光滑表面的动态行为及驱离模式。并进一步证实:相对于疏水光滑样品,纳米结构样品明显提升了表面微液滴更新速率且能长时间保持表面微液滴高密度成核及高效自驱离。而冷凝传热测试表明,该纳米铅笔结构阵列可实现高效滴状冷凝传热,并初步揭示了纳米结构表面实现高效传热的相关机制。(2)进一步优化方法实现了铜基表面超薄准直密堆积的非粘ZnO纳米针锥的可控制备,通过高速高分辨率三维显微成像仪的观察并结合详细的数据统计及分析,系统地研究了冷凝微液滴在该纳米结构表面的动态行为及相关细节,阐明了超疏水纳米结构表面小尺度微液滴自驱离的机制,并给出超疏水纳米结构表面设计的基本规律。在冷凝传热测试中结合其高效传热性能等研究了纳米针锥结构表面在负压工况下小尺度微液滴自驱离相关行为特征。最后实验数据结合理论模型对几种不同形貌的纳米结构的冷凝行为及传热性能变化进行了比较分析,总结出纳米结构的特征参数对冷凝传热性能影响的相关规律。
【学位单位】：西安科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TQ132.41;TB383.1
【部分图文】：

传热研究意义国家经济持续发展的基础，随着世界人口的急剧增长将会越来越大。其中冷凝相变传热是一种普遍存在的、热管理、海水淡化、环境控制等[1-7]生产与生活中及有效利用也起着至关重要的作用，因而如何提高冷为人们日益关注的焦点。同时，如何去实现对冷凝相材料表面抗凝露、抗结霜以及材料表面在湿冷条件下分重要的意义。例如，提高热电换热设备或者水冷核用率、装置运行安全性和经济性的重要手段，而通过究而进一步调控冷凝相变的行为，是实现提高效率和，通过对冷凝相变过程的调控，进而去控制材料表面面滋生霉菌、抗金属表面腐蚀和降低水桥热阻导致的义。此外，提高冷凝相变产物的移除效率，对提高海应用产能也具有重要意义（图 1.1）。a)b)

冷凝活性成核区域的减少，这会直接影响到热量的传递凝液的尺度会逐渐增加。通过研究微观尺度（例如微米处的生长和分布行为，进而实现冷凝液的移除，对于减决常见的凝露、结霜、水汽凝结中伴随的表面滋生细菌，成为许多领域基础和应用研究的重点。因此，如何减冷凝液的移除而更新冷凝活性成核区域，对于提高冷凝备损耗等方面至关重要，也是现在提高冷凝相变传热效研究热点[2-7]。目前水蒸汽冷凝是最常见的冷凝方式，（图 1.2）。对于工业常见的膜状冷凝，其特点是冷凝湿器壁表面。由于冷凝壁面上会一直覆盖一层液膜，致到阻力，导致传热效率很低。而对于滴状冷凝，若冷凝液滴形态附着于壁面上。当增长到一定尺寸后，液滴会的空白区域，可供继续冷凝，并周期性的开始更多频，因此其传热效率比膜状冷凝有了很大提升[12-13]。如果的滴状冷凝，将会大大减少相关传热设备的尺寸，降低和经济效益。

我们知道在现实生活中的固体表面并不是像扬氏方程式的理想状态，而是表面都存在着一定的粗糙度，1936年Wenzel等人通过引入表面结构对浸润性的影响，提出了假设液滴接触固体表面后，液体完全浸润到固体表面结构内部的模型（图1.3b），并利用粗糙因子修正了扬氏接触角，修正值被称作表观接触角（θ*）[24]。而随着研究的进展，1944年Cassie和Baxter等人[25]又扩展了前人的理论，提出了基于液体完全不浸润固体表面结构内部的固-气混合相的模型，这种模型更接近真实固体表面。他们假设液体没有进入固体表面的粗糙结构中，而是悬浮在粗糙结构之上，如图1.3(c)所示。一部分空气或者部分空气层被包裹在液体与固体表面之间，从而在液体下方形成了一个由固-液和液-气两种界面共同组成的复合的固液界面[26]。Cassie模型可以很好解释表面自清洁等超疏水性界面现象
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本文编号：2892414