噴霧冷卻是一種實(shí)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(shí)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(yīng)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(shí)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(gè)非常熱點(diǎn)的問題。雖然表面的二維輪廓繪制在科學(xué)和工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，然而，所有表面都是在三維而非二維空間相互作用的。實(shí)際工程表面的三維形貌非常復(fù)雜，而國際標(biāo)準(zhǔn)中的二維參數(shù)不足以對粗糙表面進(jìn)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(dòng)接觸線（液滴飛濺）的物理機(jī)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(dǎo)致二維參數(shù)與表面功能應(yīng)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(yīng)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(xué)摩擦學(xué)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(bào)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(fù)偏態(tài)表面更易促進(jìn)液滴飛濺，而正偏態(tài)表面抑制液滴飛濺。這主要是由于負(fù)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(xì)力超過空氣膜的失穩(wěn)應(yīng)力，并進(jìn)一步從微觀界面力學(xué)的角度分析了表面形貌對液滴鋪展的影響和三相移動(dòng)接觸線的力學(xué)性能。最后，證明了所設(shè)計(jì)的正偏態(tài)表面可以利用高效蒸發(fā)進(jìn)行大面積散熱。
真實(shí)固體表面的形貌具有隨機(jī)性，即使兩個(gè)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(jì)學(xué)和工程應(yīng)用中得到了廣泛的關(guān)注。表面形貌高度分布偏向于基準(zhǔn)面上方時(shí)，則偏斜度Ssk > 0，此時(shí)表面形貌的凸峰占主導(dǎo)地位，稱為正偏態(tài)表面。當(dāng)Ssk = 0時(shí)，表面形貌的凸峰和凹坑相對于基準(zhǔn)面是對稱的，稱為高斯表面。當(dāng)Ssk < 0時(shí)，表面的形貌高度分布偏向于基準(zhǔn)面下方時(shí)，此時(shí)表面形貌的凹坑占主導(dǎo)地位，稱為負(fù)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(jìn)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(fù)偏態(tài)表面來進(jìn)一步探究三維表面形貌對液滴飛濺及移動(dòng)接觸線的影響。試驗(yàn)現(xiàn)象表明負(fù)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(fù)偏態(tài)表面產(chǎn)生液滴飛濺的臨界韋伯?dāng)?shù)閾值都呈現(xiàn)下降趨勢，但負(fù)偏態(tài)表面產(chǎn)生微液滴飛濺的臨界韋伯?dāng)?shù)閾值明顯低于正偏態(tài)表面，進(jìn)一步證明了表面形貌會(huì)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(yīng)對液滴飛濺臨界韋伯?dāng)?shù)閾值的影響。
為了進(jìn)一步探究表面粗糙度Sa相同的情況下負(fù)偏態(tài)表面更易促進(jìn)液滴飛濺的原因，則詳細(xì)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(fù)偏態(tài)表面上液滴飛濺的影響。由于氣流的排出，會(huì)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(dāng)液滴在表面鋪展時(shí)，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(huì)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(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)的不連續(xù)性，液膜前端的運(yùn)動(dòng)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(dòng)的存在，給液膜提供了垂直方向的動(dòng)量，使得液膜向上偏轉(zhuǎn)，最終在兩種應(yīng)力相當(dāng)?shù)那闆r下，導(dǎo)致液滴飛濺。
圖3。不同表面形貌的液滴撞擊示意圖及機(jī)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(shí)間序列圖像和兩相分布。e-g)負(fù)偏態(tài)表面影響液滴飛濺的機(jī)理分析。
為了進(jìn)一步了解空氣氣流對飛濺影響的作用，在不同環(huán)境壓強(qiáng)條件下進(jìn)行液滴撞擊不同表面形貌的試驗(yàn)。無論是正偏態(tài)表面還是負(fù)偏態(tài)表面，從移動(dòng)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(huì)抑制液滴飛濺。研究結(jié)果表明負(fù)偏態(tài)表面上液滴飛濺的現(xiàn)象受到壓強(qiáng)影響最大，而在環(huán)境壓強(qiáng)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(shí)，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(qiáng)化，而負(fù)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(qiáng)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(yàn)結(jié)果表明液滴鋪展下方氣流的流動(dòng)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(jìn)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(shí)，無論是正偏態(tài)表面還是負(fù)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(fù)偏態(tài)表面，液滴撞擊后在表面上均出現(xiàn)飛濺強(qiáng)化現(xiàn)象。當(dāng)We數(shù)增加至686時(shí)，對于負(fù)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。基于以上分析可知，低于臨界快速飛濺We數(shù)閾值時(shí)，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(qiáng)化液滴的快速飛濺，當(dāng)We數(shù)增加到一定值時(shí)，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(huì)影響液滴三相接觸線的移動(dòng)。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(dòng)力和能量，從而促進(jìn)液滴鋪展。并且液滴在原始表面的鋪展因子達(dá)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(dá)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(dòng)進(jìn)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(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)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。基于表面形貌效應(yīng)的三相移動(dòng)接觸線力學(xué)特性研究。(a)液滴撞擊不同表面形貌后無量綱直徑隨時(shí)間的變化。(b)液滴撞擊不同表面形貌對應(yīng)的接觸線速度隨時(shí)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(kuò)散的影響。(f)三相運(yùn)動(dòng)接觸線上的驅(qū)動(dòng)力示意圖。
噴霧冷卻過程中液滴的蒸發(fā)速率和擴(kuò)散行為決定了噴霧冷卻的效率，進(jìn)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(dǎo)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(yán)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(dǎo)更大的毛細(xì)力，從而允許液滴在撞擊表面后很長時(shí)間內(nèi)繼續(xù)擴(kuò)散。持續(xù)擴(kuò)散和微觀形貌的共同作用使液滴在正偏態(tài)表面上實(shí)現(xiàn)了更大的固液接觸面積，強(qiáng)化了傳熱，使液滴在正偏態(tài)表面上蒸發(fā)得更快，從而導(dǎo)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(shí)間的影。(d)噴霧冷卻過程中不同形貌表面的平均溫度隨時(shí)間的關(guān)系。(e)液滴撞擊不同形貌表面后的擴(kuò)散過程。
該工作報(bào)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(shí)負(fù)偏態(tài)表面更容易促進(jìn)液滴濺射。通過調(diào)節(jié)基底的表面形貌，實(shí)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(yùn)動(dòng)的表面形貌效應(yīng)可能對工業(yè)、農(nóng)業(yè)和航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)生深遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)。
本論文第一作者為合肥工業(yè)大學(xué)已畢業(yè)博士王兆長，現(xiàn)為安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院青年教師（人才引進(jìn)），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(xué)與液滴動(dòng)力學(xué)。目前以第一作者在Small、ACS Applied Materials & Interfaces、Applied Physics Letters、《中國科學(xué)：物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)》等國內(nèi)外知名學(xué)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
