[发明专利]一种强化滴状冷凝传热的微乳突-纳米线联合超疏水结构及其大面积制备工艺

说明书

本发明属于表面处理及特种加工领域，提供了一种强化滴状冷凝传热的微乳突‑纳米线联合超疏水结构及其大面积制备工艺；该结构由微米乳突与纳米线联合组成，其中纳米线覆盖于微米乳突之上，微米乳突结构具有较高的曲率特征，能够提高液滴的运动性能；该工艺结合电化学技术、氧化刻蚀技术和表面能修饰技术在导电基底沉积并氧化刻蚀出微米级乳突与纳米线联合超疏水结构。本发明采用的微纳复合结构，对液滴的接触角迟滞较低，液滴的运动性能优异，其加工方法工艺简单、成本低廉、通用性强，可实现大面积跨尺度微乳突‑纳米线联合超疏水结构的加工，在强化滴状冷凝传热、实现微尺度液滴操控、制造新型高性能热管和芯片实验室等方面具有重要应用价值。

技术领域

本发明提供了一种强化滴状冷凝传热的微乳突-纳米线联合超疏水结构及其大面积制备工艺，属于表面处理及特种加工领域。

背景技术

冷凝是自然界中普遍存在的相变现象，广泛应用于发电、海水淡化、传热等工业领域。在所有的工业应用中，滴状凝结比膜状凝结具有更低的热阻和更高的传热系数，这是由于在滴状冷凝过程中蒸汽直接在表面凝结，而不需要穿过液膜。微-纳复合的超疏水表面可以有效地实现滴状冷凝，此类表面在强化滴状冷凝和传热方面具有重要应用价值。目前微-纳复合的超疏水表面主要通过两种或者两种以上的组合加工方法来制作，主要包括刻蚀、激光加工、光刻等。例如，Xiao等人用激光在铜表面加工出微米级山峰结构，并通过氧化刻蚀的方法在微米结构表面得到纳米线，这种结构加快了滴状冷凝过程中液滴的生长速度，增强了传热性能，该方法在激光加工过程中会产生粉尘污染，同时激光烧蚀的沟槽也会降低基材的力学性能[ACS Nano,2019,13:8169-8184]；Chander等人在铝表面刻蚀出微米级台阶状的结构，并通过水热法在微米结构表面得到纳米级的勃姆石结构，从而获得微-纳复合的超疏水表面，该表面强化了滴状冷凝过程中液滴的自发迁移与弹跳，该方法工艺简单，但是刻蚀过程中生成的微米级凹坑会破坏基材的力学性能[ACS Nano,2017,11:1673-1682]；Chen等人利用光刻技术加工出微米级的金字塔结构，然后采用离子刻蚀技术在微米结构表面制作纳米线，这种结构增加了滴状冷凝过程中的液滴数量，以及脱离液滴的大小，该方法加工精度高，但是大面积加工的成本高[Advance Function Materials,2011,21:4617–4623]。

综上所述，虽然现有微-纳复合的超疏水表面由棱角形的微米结构与纳米结构组合而成，但是没有充分利用微米结构的曲率特征来提高液滴的运动性能；同时其加工方法虽可满足多种加工需求，但仍存在加工过程污染空气、大面积加工成本高、破坏基材的力学性能等不足，所以，采用一种具有高曲率特征的微纳复合表面，并开发一种工艺简单、通用性强，可实现大面积微-纳复合的超疏水表面的新技术对推进该类表面在强化滴状冷凝、实现微尺度液滴操控、制造新型高性能热管和芯片实验室等方面具有重要应用价值。

发明内容

本发明提出一种强化滴状冷凝传热的微乳突-纳米线联合超疏水结构，并为这种结构的加工提供一种环保、操作简单、成本低廉、且适合大面积生产的电化学加工方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种强化滴状冷凝传热的微乳突-纳米线联合超疏水结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)该结构由微米乳突与纳米线联合组成，其中纳米线覆盖于微米乳突之上，微米乳突结构为倒保龄球瓶形状，具有顶部的曲率半径为1～20μm；

(2)采用电化学沉积技术在导电基底沉积微米结构层，并通过调控电解液的温度、配比、电沉积电流密度和时间控制电沉积层表面微米结构的尺寸，来获得具有微米级乳突状结构的表面，其中电解液为CuSO₄与H₂SO₄混合溶液；

(3)采用KOH与K₂SO₄的混合溶液对步骤(2)获得的微米级乳突状结构进行氧化刻蚀，刻蚀完成首先用去离子水清洗，然后放入烘箱中烘干，在微米级乳突状结构表面得到氧化铜纳米线；