仿生超疏水表面的抗冷凝失效研究进展

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.210486

摘要/Abstract

摘要：

在存在一定过冷度或蒸汽过饱和度的条件下，水蒸汽可在固体表面凝结成核。随着过冷度增大，液滴成核半径将随之减小，冷凝液滴的生长融合将无法避免地发生在超疏水表面不可或缺的微/纳米结构内。若液滴不能及时排出，则会滞留在表面结构内并挤出空气，形成局部浸润，导致材料表面的超疏水性能下降或失效，甚至引起泛洪。本文首先总结了表面因冷凝诱导超疏水性失效的机制，并分析了解决该问题存在的难点。随后对近年来通过微/纳结构优化、提高成核空间选择性和外部能量输入3类方法提升表面抗冷凝失效性能的研究进展进行了总结。尽管上述方法使表面的抗冷凝失效能力获得一定程度的提高，但在面对高过冷度、持续冷凝等较为苛刻的环境时，仍然无法保证表面浸润性的长效稳定。因此，超疏水表面因冷凝诱导润湿性转变的问题成为限制其广泛实际应用的关键难题。

关键词: 超疏水表面, 冷凝, 润湿性转变

Abstract:

The water vapor condenses on solid surface in the presence of subcooling or supersaturation. Based on the wettability principles， the radius of condensed droplets decrease with subcooling increases， which contributed to the condenses of droplets in the gaps between micro/nano structures on the superhydrophobic surfaces. The condensed droplet would wet the surface if it sticks on the surface during condensation， which would destroy the super-hydrophobicity of the surface， even result in flooding. The previous research to anti-invalid of super-hydrophobicity during condensation could be classified into three modes： optimization of the micro/nano structure of surface， improvement in spatial selectivity of nucleation and introduction of external energy. Even though the methods above improved greatly in maintaining super-hydrophobicity during condensation， no one could prevent the infiltration of the droplets into the gaps between micro/nano structures. Therefore， the application of superhydrophobic surface depends highly on the wetting properties of the surface during condensation.

Key words: Superhydrophobic surface, Condensation, Wetting transition

中图分类号:

O647

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图/表 12

图1 超疏水表面冷凝诱导的润湿性转变过程［47-48］

Fig.1 Condensation-induced transition of wetting state on surface［47-48］

图2 冷凝液滴成核临界半径和密度与表面过冷度之间的关系［47］

Fig.2 Nucleation size and nucleation site density as a function of surface subcooling［47］

图3 微米柱结构表面的蒸汽冷凝的ESEM图［57］

Fig.3 ESEM images of the condensation of water vapor on a superhydrophobic surface comprising of an array of hydrophobic square posts. （a） Dry surface. （b-c） Snapshot images of the condensation phenomenon on the surface［57］

图4 水滴撞击具有不同过冷度的超疏水材料表面［60］

Fig.4 Sequential images of the dynamic behaviors of a water droplet impacting superhydrophobic surfaces with various supercooling degrees［60］

图5 “蘑菇”状微米柱（a）及封闭内凹柱状结构（b）表面的SEM图及水滴在干燥、冷凝表面的润湿状态［48］

Fig.5 SEM images， and water droplets on the surface of mushroom （a）， and re-entrant pillar （b） for dry and condensation conditions［48］

图6 （a）纳米尖锥结构形貌图及（b）液滴在尖锥结构间向上驱动［30］

Fig.6 （a） Jumping-droplets after coalesced and （b） small droplet can move upwards between nano-cones［30］

图7 （a - c）材料表面冷凝液融合弹跳及（d）持续冷凝后引发泛洪［64］

Fig.7 （a - c） Jumping-droplets after coalesced， and （d） flooded condensation on the tube［64］

图8 （a）冷凝液滴从成核到离开表面的全过程；（b - e）微/纳复合结构、纳米结构、微米结构及光滑铜表面上不同过冷度下材料表面的冷凝［68］

Fig.8 （a） Dropwise condensation and schematics of long-term dropwise condensation on the surface；（b - e） Images of condensated droplets on four types of surfaces at different subcooling， including MNSS， NGSS， MPSS， and Cu［68］

图9 （a）普通超疏水纳米线表面冷凝的ESEM图及（b）亲-疏水复合表面冷凝的ESEM图［69］

Fig.9 ESEM snapshots showing the formation of droplets on superhydrophobic nanograss （a） and biphilic surface （b）［69］

图10 多层纳米线表面SEM图（a）以及其表面的液滴成核及向上移动示意图（b - d）［39］

Fig.10 （a） SEM images of hierarchical nanowiresand （b - d） schematic showing the nucleation and movement of the droplets［39］

图11 不同过冷度下3种材料表面的水滴冷凝动态［39］

Fig.11 Condensation modes and droplet behaviors on the three test surfaces with different surface subcooling［39］

图12 （a）实验装置示意图；（b）液滴在固体表面上的各参数及（c - f）液滴在外力做用下由Wenzel态向Cassie态的转变［70］

Fig.12 （a） Experimental setup where the cold plate was used only for the condensation experiments；（b） Parameters of the drop used in the model；（c - f） A hypothetical route for the gradual de-wetting during a Wenzel to Cassie transition［70］

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