隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的迅猛發(fā)展，機(jī)械設(shè)備的尺寸不斷減小，固液界面相互作用顯著影響微流體機(jī)械的性能。此外，微電子器件的小型化，使裝置的熱流密度顯著增加，微小型設(shè)備的散熱問題面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。微納米結(jié)構(gòu)超疏水表面能夠調(diào)控液滴動力學(xué)行為，強(qiáng)化滴狀冷凝換熱，有利于提高微流體機(jī)械的性能，并為換熱設(shè)備的小型化和高熱流密度裝置熱管理系統(tǒng)性能的提升提供了新途徑。基于此背景，本文系統(tǒng)地研究了微納米結(jié)構(gòu)超疏水表面液滴動力學(xué)行為與冷凝換熱特性，主要內(nèi)容包括:微納米結(jié)構(gòu)疏水與超疏水表面的制備及潤濕性表征、層級微槽超疏水表面液滴合并彈跳行為、微納米結(jié)構(gòu)超疏水表面低濃度乙醇溶液液滴合并彈跳行為以及微槽疏水與層級微槽超疏水表面蒸汽冷凝換熱特性。

本文分別制備了層級微槽超疏水、CuO納米結(jié)構(gòu)超疏水、微槽疏水和光滑疏水表面，并表征了所有制備表面的潤濕性。結(jié)果表明，液滴在層級微槽結(jié)構(gòu)和CuO納米結(jié)構(gòu)的超疏水表面呈現(xiàn)穩(wěn)定的Cassie潤濕態(tài)，而在微槽疏水表面的Cassie潤濕態(tài)不穩(wěn)定。槽道結(jié)構(gòu)阻礙了液滴的橫向潤濕，導(dǎo)致微槽疏水和層級微槽超疏水表面呈現(xiàn)各向異性潤濕性，垂直槽道方向的接觸角大于沿槽道方向的接觸角。為了探究微槽結(jié)構(gòu)對液滴合并彈跳過程流體力學(xué)的調(diào)控機(jī)制，本文搭建了液滴合并彈跳可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究并比較了層級微槽超疏水與平超疏水表面的液滴合并彈跳行為。

研究發(fā)現(xiàn)，具有空間限制效應(yīng)的微槽結(jié)構(gòu)對液滴合并的流體力學(xué)調(diào)控起著關(guān)鍵作用。在層級微槽超疏水表面，槽內(nèi)變形液滴在Laplace壓力差驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)自彈跳，釋放的表面能向動能的轉(zhuǎn)化率約為8%。槽內(nèi)變形液滴和槽外非變形液滴合并彈跳的能量轉(zhuǎn)化率高達(dá)46%，比平超疏水表面的液滴合并彈跳高出7.2倍，表明液滴合并彈跳速度和能量轉(zhuǎn)化率的提升取決于液滴表面曲率和集中于彈跳方向的動量。

此外，本研究證實(shí)了液滴間凸出的微結(jié)構(gòu)能夠通過對液滴內(nèi)部動量的重新定向強(qiáng)化液滴合并彈跳性能；而液滴間的凹槽結(jié)構(gòu)弱化了合并液滴與表面的撞擊效應(yīng)，導(dǎo)致液滴合并彈跳性能惡化。為了明確液體表面張力對不同微納米結(jié)構(gòu)超疏水表面液滴合并彈跳的影響，本文研究并比較了去離子水、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%和16%的低濃度乙醇溶液液滴在平超疏水和層級微槽超疏水表面的合并彈跳行為。結(jié)果顯示，表面張力大于40 m N/m且粘度小于2 m Pa·s的低濃度乙醇溶液液滴在平超疏水表面的合并彈跳由慣性效應(yīng)主導(dǎo)，粘性效應(yīng)的影響可以忽略。液體表面張力的減小僅導(dǎo)致液滴合并彈跳速度的減小，能量轉(zhuǎn)化率基本不變，維持在5.6%～6%之間。在層級微槽超疏水表面，液體表面張力減小引起表面對液滴的粘附效應(yīng)增強(qiáng)，使槽內(nèi)變形的低濃度乙醇溶液液滴無法自彈跳，而是在Laplace壓力差驅(qū)動下自發(fā)爬升，并懸浮于槽道上方。增強(qiáng)的表面粘附改變了低濃度乙醇溶液液滴合并過程的形態(tài)演變，影響了其內(nèi)部動量的傳遞，導(dǎo)致液滴合并彈跳速度和能量轉(zhuǎn)化率降低。

隨液體表面張力的減小，受限微槽結(jié)構(gòu)和液滴間凸起的微結(jié)構(gòu)對液滴合并彈跳性能的強(qiáng)化作用減弱，而凹槽結(jié)構(gòu)對液滴合并彈跳性能的弱化作用增強(qiáng)。在上述研究的基礎(chǔ)上，本文搭建了蒸汽冷凝可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了光滑疏水以及不同槽道方向的微槽疏水和層級微槽超疏水表面的冷凝換熱特性，探究表面微納米結(jié)構(gòu)和各向異性潤濕性對冷凝液滴動力學(xué)行為和換熱性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，層級微槽超疏水表面同時存在低過冷度下(ΔT5 K)多個小冷凝液滴(100μm)的合并彈跳和較寬過冷度范圍內(nèi)(ΔT12 K)槽內(nèi)變形大液滴(400～500μm)的受迫彈跳。

而且，槽內(nèi)受限生長的大冷凝液滴會在Laplace壓力差的作用下爬升至槽道頂部形成懸浮液滴，構(gòu)成層級冷凝模式，有效抑制了高過冷度下的泛液冷凝，強(qiáng)化了滴狀冷凝換熱。低過冷度下液滴的合并彈跳和彈跳液滴誘導(dǎo)的掃除以及高過冷度下合并誘導(dǎo)的掃除和懸浮液滴的脫落等多種表面刷新方式使層級微槽超疏水表面具有最佳的滴狀冷凝換熱性能，并消除了槽道各向異性潤濕性對滴狀冷凝換熱的影響。

然而，槽道的各向異性潤濕性顯著影響微槽疏水表面的滴狀冷凝。槽道結(jié)構(gòu)增加的換熱面積，槽內(nèi)液柱的滑落和對相鄰?fù)古_上液滴的掃除與跨槽大液滴脫落相結(jié)合，提高了表面刷新頻率，使豎槽方向微槽疏水表面的冷凝換熱性能明顯優(yōu)于光滑疏水表面。但橫向槽道消除了槽內(nèi)液柱的滑落，并阻礙跨槽大液滴的脫落，不利于刷新表面，導(dǎo)致橫槽方向微槽疏水表面的冷凝換熱性能比光滑疏水表面更低。