[发明专利]一种强化滴状冷凝的三维图案化表面

说明书

本发明提供一种强化滴状冷凝的三维图案化表面，包括超疏水基底和上凸状超亲水三维图案，上凸状超亲水三维图案包括若干个上凸状超亲水三维结构和液滴汇集区，上凸状超亲水三维结构独立形成阵列分布或若干上凸状超亲水三维结构端部相连形成团簇阵列分布；上凸状超亲水三维结构的平行表面截面的形状为楔形；上凸状超亲水三维结构的垂直表面截面形状包括但不限于矩形和倒锥形。本发明可约束滴状冷凝液横向生长空间，显著减小滴状冷凝液脱离至膜状区的尺寸，促进膜状区冷凝液的传输和汇聚；三维图案的团簇状组合可减小表面冷凝液整体脱离阻力，提升滴状冷凝效率和长效性，在高效集水、冷凝传热和制造新型高性能热管等方面具有重要的应用价值。

技术领域：

本发明属于冷凝和传热传质技术领域，具体涉及一种强化滴状冷凝的三维图案化表面。

背景技术：

冷凝是自然界中的普遍现象，在工业生产和生活中扮演着重要角色。在微电子[Nature Reviews Materials,2017,2(2):16092]、能源[National Science Review,2018,5(6):878–887]、以及航空航天等产业应用广泛。冷凝分为膜状冷凝和滴状冷凝。其中，滴状冷凝传热效率是膜状冷凝的数倍[Journal of Power and Energy,2002,21:115-128]，且滴状冷凝液脱离尺寸越小，其冷凝传热效率越高[Applied Thermal Engineering,2016,98:1054-1060]，但在滴状冷凝过程中，随冷凝时间增加，未脱离的冷凝液不断桥接而覆盖表面，最终使滴状冷凝转变为膜状冷凝—滴状冷凝失效[International Journal of Heatand Mass Transfer,2019,128:185-198]。因此，强化滴状冷凝过程的首要目标是减小滴状冷凝液脱离尺寸和提升滴状冷凝长效性。这两个目标主要由三个过程实现：(1)减小滴状冷凝液脱离至膜状区的尺寸；(2)促进脱离至膜状区冷凝液的汇聚；(3)减小膜状区冷凝液的最终脱离阻力。目前国内外研究学者主要采用仿沙漠甲虫背部结构的非均匀润湿性图案化表面来优化上述三个过程[Nature,2001,414:33-34；ACS Nano,2015,9:71-81]。例如，Zhang等人通过在超疏水基底上进行多巴胺打印和聚合加工出具有方形亲水图案阵列的非均匀润湿性图案化表面，超疏水基底上的滴状冷凝液被不断抽吸至亲水图案区，这种冷凝液的抽吸行为可减小滴状冷凝液脱离至膜状区的尺寸，加快滴状区冷凝液更新[Journalof Materials Chemistry A.2015,3:2844-2852]。彭本利等人利用亲水/疏水条纹相间图案化表面来减小滴状区冷凝液脱离尺寸，降低膜状区冷凝液的脱离阻力[InternationalJournal of Heat and Mass Transfer.2015,83:27-38]。Ghosh和Hou等人为提升滴状区长效性，采用楔形亲水图案来强化膜状区冷凝液汇聚能力[Advanced MaterialsInterfaces,2020,7:1901683；Langmuir.2014,30:13103-13115]。但目前采用的非均匀润湿性图案化表面均为二维结构，在表面滴状区和膜状区比例一定的前提下，难以通过图案设计进一步缩小滴状区冷凝液脱离尺寸，且在减小滴状区冷凝液脱离尺寸的同时，如何通过提高膜状区冷凝液的汇聚速度并减小汇聚后冷凝液最终脱离阻力，来提升滴状冷凝长效性也是亟待解决的关键问题。基于此，本发明提出的一种强化滴状冷凝的三维图案化表面，统筹优化了强化滴状冷凝的三个过程，在高效集水、冷凝传热和新型高性能热管制造等方面具有极大的潜在应用价值。

发明内容：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种强化滴状冷凝的三维图案化表面。

本发明采用以下技术方案：