利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)為基底采用光刻技術(shù)制備了微方柱狀超疏水表面，分析了冷凝條件下超疏水表面液滴的冷凝生長(zhǎng)特征，發(fā)現(xiàn)液滴的生長(zhǎng)過程可分為微液滴成核冷凝獨(dú)立生長(zhǎng)、冷凝微液滴合并生長(zhǎng)以及大液滴生長(zhǎng)3個(gè)階段。超疏水表面初始合并的液滴呈Wenzel-Cassie狀態(tài)和Wenzel狀態(tài)，隨著冷凝液滴的成長(zhǎng)，液滴的液-固接觸面積與粗糙結(jié)構(gòu)表面的表觀面積之比f(wàn)隨著冷凝液滴尺寸的增大而增大，Wenzel-Cassie狀態(tài)向完全Wenzel狀態(tài)轉(zhuǎn)變。最后分析了超疏水性破壞的原因。

1、前言

　　近些年來(lái)，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，納米超疏水材料制備的日臻成熟，將納米超疏水材料應(yīng)用到冷凝器的研制中，實(shí)現(xiàn)空調(diào)蒸發(fā)器內(nèi)部盤管表面由膜狀凝結(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒌螤钅�結(jié)是目前采用的重要方法。因此，如何在換熱表面實(shí)現(xiàn)恒定的微滴狀凝結(jié)是國(guó)內(nèi)外研究者一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)的目標(biāo)。為此，國(guó)內(nèi)外研究者就超疏水表面的制備、微觀傳熱機(jī)理以及傳熱特性等方面進(jìn)行了大量卓有成效的工作。Narhe等制備了溝槽狀微結(jié)構(gòu)表面，研究了冷凝條件下液滴的動(dòng)態(tài)成長(zhǎng)特征;Cheng等對(duì)荷葉表面冷凝液滴的浸潤(rùn)特性進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)水蒸氣凝結(jié)條件下荷葉表面不再具有超疏水性;Kevin以及He等則對(duì)低溫下超疏水表面的靜態(tài)表觀接觸角進(jìn)行了研究。然而，目前的滴狀冷凝研究中，冷凝液滴是重力作用下的自然脫落，形成的較大液滴由于熱阻較大，使得冷凝傳熱系數(shù)不能得到較大提高。試驗(yàn)表明，超疏水表面上液滴并不能迅速脫落，即超疏水表面失效了。為探究其失效的原因，國(guó)內(nèi)外研究者從超疏水表面液滴微觀浸潤(rùn)狀態(tài)入手進(jìn)行了深入研究。

　　研究表明，粗糙表面液滴主要存在3種典型的浸潤(rùn)狀態(tài):Wenzel狀態(tài)、Cassie狀態(tài)以及Wenzel-Cassie狀態(tài)，如圖1(a)、(b)、(c)所示。

圖1 粗糙表面水滴浸潤(rùn)狀態(tài)

　　液滴所處狀態(tài)不同，導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)性質(zhì)也存在巨大差異。Wenzel狀態(tài)液滴由于浸入了粗糙表面微結(jié)構(gòu)內(nèi)，因此“粘”性極強(qiáng)，不易從粗糙表面脫落，存在很大的接觸角滯后。其表觀接觸角θr可由Wenzel方程描述如下:

cosθr=rcosθ(1)

　　式中r———粗糙度;θ———本征接觸角

　　而Cassie狀態(tài)液滴則懸停在粗糙表面，粘性微弱，因此能夠輕易滾落，即很小的接觸角滯后。其表觀接觸角θr

　　可由Cassie方程描述如下:

cosθr=fcosθ+f-1(2)

　　式中f———液滴的液—固接觸面積與粗糙結(jié)構(gòu)表面的表觀面積之比方程(1)和(2)可以合并成一個(gè)更加通用的方程:

cosθr=rfcosθ+f-1(3)

　　方程(3)適用于Wenzel和Cassie狀態(tài)，也適用于Wenzel-Cassie狀態(tài)。

　　本文根據(jù)液滴在粗糙表面呈現(xiàn)Cassie狀態(tài)的熱動(dòng)力穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)加工了一種幾何上能夠保證超疏水特性的微方柱結(jié)構(gòu)表面，通過對(duì)蒸汽冷凝過程的顯微觀測(cè)以及在常規(guī)條件和冷凝條件下液滴接觸角的測(cè)量，對(duì)超疏水表面在冷凝條件下液滴的生長(zhǎng)過程機(jī)理以及液滴的浸潤(rùn)狀態(tài)進(jìn)行了分析，并對(duì)超疏水特性的破壞機(jī)理進(jìn)行了解釋。

4、結(jié)語(yǔ)

　　本文研究了超疏水表面冷凝液滴的生長(zhǎng)過程，發(fā)現(xiàn)液滴冷凝生長(zhǎng)可分為3個(gè)階段:微微液滴獨(dú)立生長(zhǎng);微液滴合并生長(zhǎng);大液滴生長(zhǎng)。同時(shí)測(cè)量了液滴在常規(guī)條件以及冷凝條件時(shí)的靜態(tài)接觸角，通過分析結(jié)果得出，液滴在第二階段的合并機(jī)制是造成超疏水表面形成不同浸潤(rùn)狀態(tài)液滴的要原因。此外，冷凝條件下，超疏水表面初始合并的液滴呈Wenzel-Cassie狀態(tài)和Wenzel狀態(tài)，隨著冷凝液滴的成長(zhǎng)，液滴的液-固接觸面積與粗糙結(jié)構(gòu)表面的表觀面積比f(wàn)隨著冷凝液滴尺寸的增大而增大，Wenzel-Cassie狀態(tài)液滴向完全Wenzel狀態(tài)轉(zhuǎn)變。這是造成超疏水表面疏水性消失的主要原因。