基于微纳米材料表面的相变现象的基础研究

Phase change phenomena including condensation and boiling (evaporation)，have received growing attention due to their high thermal conductivity coefficients as well as their potential applications in chemical engineering, power plants and air-conditioning. The phase change processes are largely dependent on the physical-chemical properties of materials. The proposed project aims to study the phase change phenomena on novel bio-inspired surfaces which feature micro/nanostructures and tunable wetability. ..To realize these goals, we propose the following tasks: (1) Develop a novel hierarchical architecture for enhanced dropwise condensation or nucleate boiling which can not only enhance the nucleate site densities, but also delay the onset of film-wise condensation or film-wise boiling.(2) Systematically investigate the condensation phenomenon on hierarchical surfaces that exhibit a global superhydrophobicity yet with local wettable patches. We will elucidate the roles of multiscale roughness on phase change phenomena. (3) Study the nucleate boiling phenomenon on hierarchical surfaces that exhibit global superhydrophilicity yet with local hydrophobic patches.(4) As a technology demonstration, we will assemble the supernucleating surfaces into a vapor chamber, which offers the potential to significantly enhance the thermal performances. Moreover, since the condensate drops come back to the boiling surface by spontaneous departure, our chamber might eliminate the need of additional wick structures for liquid return. We believe the implementation of the proposed project could not only advance our fundamental understanding of underlying physics governing the multi-phase phenomena on micro/nanostructured surfaces, but also open a new avenue for the development of novel thermal management devices where phase change plays an important role.

基于相变的冷凝和蒸发（沸腾）现象， 由于其具有很高的传热系数和在化工、发电以及制冷等领域的大量应用，受到越来越广泛的关注。这些相变过程在很大程度上取决于材料表面的物理及化学特性。本课题拟开发一种新型仿生微纳材料和湿润性调控技术，深入研究这些表面上的相变现象。本课题主要研究任务如下：（1）开发新型微观表面，其不仅能极大提高成核点密度，而且能推迟液膜（冷凝）和蒸气膜（沸腾）的形成。（2）系统研究在整体呈现超疏水、局部含有疏水斑块的表面上的滴状冷凝现象，并阐明微观结构对相变过程的影响。(3)系统研究在整体呈现超亲水、局部含有疏水斑块的表面上的泡核沸腾现象。（4）作为基础研究的延伸，开发一种集中滴状冷凝和泡核沸腾优点的新型散热板。在该设计中，冷凝液滴能自动循环至沸腾表面，不需要额外的液体驱动设备。本项目的立项和开展可以填补和加深我们对微观传递现象的认识，为开发有效的冷凝节能材料提供新的思路和方向。

基于相变的冷凝和蒸发（沸腾）现象， 由于其具有很高的传热系数和在化工、发电以及制冷等领域的大量应用，受到越来越广泛的关注。这些相变过程在很大程度上取决于材料表面的物理及化学特性。在本项目中，我们成功开发了基于仿生的新型微纳材料和湿润性调控技术，深入研究这些表面上的相变现象。主要成果如下。1：充分利用冷凝和蒸发沸腾对表面润湿性完全相反的要求，设计和开发了一种普适的微纳结构。该结构不仅能极大提高成核点密度，而且能推迟液膜（冷凝）和蒸气膜（沸腾）的形成。2：受沙漠甲壳虫能够高效收集水的启发，开发了基于硅沉底的整体呈现超亲水、局部含有亲水斑块的表面。该表面实现了膜状冷凝和滴状冷凝的相互加强的协同效应。微观测试表明加工的表面不仅能极大提高成核点密度，而且促进冷凝液滴的快速脱离。宏观测试表明，和单一的超疏水表面相比，传热系数提高了百分之六十。同时，从液滴城和理论以及表面自由能角度出发，阐明了混合亲疏结构的尺寸和表面润湿性对比程度对液滴成核，生长以及脱落的影响，进一步优化了结构设计。3：开发了在整体呈现超亲水、局部含有疏水斑块的表面，实现了强化泡核沸腾现象。通过可视化研究，研究了气泡在疏水表面的成核和生长动态。为了避免由于连续气膜生成导致的传热下降的缺点， 我们巧妙的设计了一种具有结构梯度的结构。能够实现液滴从连续气膜区向泡核沸腾自发定向转移，从而大大提高了表面换热效率。4： 作为基础研究的延伸，我们也开发一种集中滴状冷凝和泡核沸腾优点的新型散热板。由于冷凝液滴能自动循环至沸腾表面，该散热板不需要额外的液体驱动设备。从基础和应用研究角度，该项目把仿生，材料微观结构设计和传热融为一体，加深我们对微观传递现象的认识，为开发有效的冷凝节能材料提供新的思路和方向。