仿生水汽冷凝微纳复合结构的性能调控与规模化制造

After millions of years of evolution, many creatures own micro/nano composite structures for excellent water vapor condensation. Using these creatures for references, the investigation on the preparation and performance control of micro/nano compound structures for water vapor condensation has gradually become research hotspots. However, the mechanism of biological characteristics for excellent water vapor condensation is still unknown, and the design, optimization, and large-scale manufacturing for these micro/nano compound structures are seldom involved. In this project, we will conduct a systematic research about the mechanism of biological characteristics for excellent water vapor condensation and heat transfer. The relationship between the characteristics and microstructure, macro/micro morphology, etc, will be revealed. Then we will establish a theory model for water vapor condensation and evolution. Combined with theoretical calculation, simulation analysis, structure preparation and experimental test, we will carry out designing and optimization for the bionic micro/nano compound structures, explore integrated manufacturing process including micro processing, nano etching/growth and surface modification, and realize performance control and large-scale manufacturing for bionic micro/nano composite structures. The successful implementation of this project will strong promote the technologies of water vapor condensation in aerospace, energy saving and emission reduction, petrochemical and other fields. The technologies can also be used for military purposes and alleviate the water shortage problem in arid area. These will bring huge economic benefit and practical value.

水汽冷凝技术对于高效换热、冷凝收集水具有重要意义，借鉴生物表面研究具有水汽冷凝特性的微纳复合结构的制备与性能调控逐渐成为了热点。然而，生物优异水汽冷凝特性形成机理尚不明了，涉及仿生微纳复合结构设计、优化和制造的研究也较少。本项目将系统深入研究生物表面优异水汽冷凝特性的产生机制，及该特性与材料组成、宏微观结构形态、尺寸等特征参数之间的关系，建立水汽冷凝演化理论模型；通过生物特征测试、理论计算和仿真分析，进行仿生结构的设计与优化；探索集成了微/纳尺度加工、表面修饰的制造工艺，将结构制备和性能检验相结合，实现仿生水汽冷凝微纳复合结构的性能调控；通过简化工艺流程、采用现有成熟工艺替代等，开发规模化制造工艺。本项目的成功实施，将有力推动水汽冷凝技术在航空航天、节能减排、石油化工等领域的发展，并可用于军事目的或缓解干旱地区的缺水问题，有望带来巨大的经济效益。

本项目针对进一步提高干旱地区水汽收集效率问题，引入超亲水氢氧化铜纳米线作为超亲水流道。借鉴大自然叶脉分形结构，设计了仿叶脉多级楔形超亲水流道结构，采用XRD、XPS、SEM、WCA等对超亲水氢氧化铜纳米线进行了表征，研究了不同楔形角度、不同流道间距对水汽收集效果的影响。研究结果表明，仿叶脉楔形超亲水流道结构能够有效提高水汽收集效率，主要体现在超亲水氢氧化铜纳米线结构本身的毛细作用可以直接吸附冷凝水滴，从而达到水汽收集效果，此外，当楔形流道形成水膜时，能够与其靠近的微液滴进行合并后自发定向移动，达到水汽效率的效果。主要原因在于楔形流道由于超亲水氢氧化铜的超亲水特性，与基底形成显著的润湿性差异，由此导致超亲水流道迅速形成水膜，而由于边界压缩效应的存在，楔形的宽端与窄端呈现出不对称的拉普拉斯压力差。因此，在冷凝液滴与超亲水流道合并后将产生往宽度定向移动的效果，达到定向水汽收集的效果。该流道结构在定向驱动力的条件下还能够实现逆重力运输，体现出优异的定向移动特性，最大角度达到7度。此外，本项目将超亲水氢氧化铜纳米线作为感湿层，解决传统湿敏层容易沾水失效问题。设计开发了基于QCM基底原位制备超亲水氢氧化铜纳米线工艺，搭建了基于QCM湿度传感器测试平台，测试了所制备的超亲水氢氧化铜纳米线石英晶体微天平湿度传感器的灵敏度、响应/恢复时间、重复性、湿滞、选择性、稳定性和沾水自保护特性。研究结果表明，采用超亲水氢氧化铜纳米线作为感湿层具有沾水自保护特性，能够在沾到水滴之后迅速自扩散与自蒸发，达到自保护的效果。超亲水氢氧化铜纳米线QCM湿度传感器具有灵敏度高、响应/恢复时间快，重复性好，湿滞较小，气体选择性优异等特点。综上所述，本项目不仅实现了饱和湿度下借助仿叶脉结构实现水汽高效冷凝收集，还实现了低湿度条件下的水汽感知，拓展了超亲水界面的应用范围，为智能控湿奠定基础。