金屬基體超疏水表面抗凝露抗結(jié)霜特性的研究進(jìn)展

汪德龍，武衛(wèi)東，陳小嬌

（上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，上海200093）

doi：10.3969/j.issn.2095-4468.2015.01.201

金屬基體超疏水表面抗凝露抗結(jié)霜特性的研究進(jìn)展

汪德龍*，武衛(wèi)東，陳小嬌

（上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，上海200093）

本文綜述了近幾年金屬基體超疏水表面抗凝露抗結(jié)霜特性的研究進(jìn)展?？偨Y(jié)了金屬基體超疏水表面抗凝露抗結(jié)霜特性的實(shí)驗(yàn)研究，指出微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)超疏水表面都有抗凝露抗結(jié)霜性能，但兩者性能優(yōu)劣并無定論。關(guān)于超疏水表面抗凝露抗結(jié)霜的機(jī)理，部分研究者認(rèn)為是超疏水表面凝結(jié)水形成有較大能量勢壘，另一部分研究者認(rèn)為納米結(jié)構(gòu)超疏水表面液體自遷移現(xiàn)象對其抗凝露抗結(jié)霜有重要的影響。目前，超疏水表面與空氣換熱的研究還不夠充分，這方面的深入研究能夠?yàn)槌杷砻鎽?yīng)用到微通道換熱器中提供理論基礎(chǔ)。

超疏水表面；微納復(fù)合結(jié)構(gòu)；納米結(jié)構(gòu)；結(jié)霜；凝露

doi：10.3969/j.issn.2095-4468.2015.01.201

0 引言

結(jié)霜的現(xiàn)象廣泛存在于制冷空調(diào)領(lǐng)域，如熱泵工況下的室外機(jī)結(jié)霜，目前化霜方法有許多弊端[1]，存在頻繁化霜、化霜不徹底、消耗電能多和溫度波動比較大等缺點(diǎn)[2]，造成了很大的能源浪費(fèi)[3]。特別是微通道換熱器在熱泵工況下，其用作蒸發(fā)器的時候，冷凝水的排放不暢[4]，及其導(dǎo)致的結(jié)霜是一直困擾研究者的問題[5]。除此之外，空調(diào)器在夏季工況下，室內(nèi)出風(fēng)口產(chǎn)生的凝露也是一個不容忽視的問題[6]。

近年來，自從BARTHIOTT W[7]提出“荷葉效應(yīng)”這一概念后，仿荷葉超疏水表面的研究得到蓬勃發(fā)展，超疏水表面抗凝露抗結(jié)霜是研究熱點(diǎn)之一，研究結(jié)果表明，超疏水表面具有較好的抗凝露抗結(jié)霜性能，如能應(yīng)用到制冷空調(diào)領(lǐng)域?qū)?jié)約大量的能源。在制冷空調(diào)領(lǐng)域里，大多數(shù)使用的材料是鋁、銅、鋼等型材。因此本文綜述了近幾年來在金屬基體表面上制備的超疏水表面的抗結(jié)霜抗凝露的研究，以期為超疏水表面應(yīng)用到制冷空調(diào)領(lǐng)域提供借鑒。

本文主要從實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展、機(jī)理分析進(jìn)展、傳熱研究進(jìn)展三個方面對金屬基體超疏水表面抗凝露抗結(jié)霜的研究做出闡述，并對其應(yīng)用于微通道換熱器提出一些觀點(diǎn)。

1 超疏水表面基本原理

平整的固體表面，水滴在其上鋪展，當(dāng)達(dá)到固液氣三相的平衡時，在液氣界面做一條切線，將此條切線與固液界面的接觸面的夾角稱為接觸角θ（見圖1）。通常定義接觸角小于90°為親水表面，接觸角大于90°為疏水表面，接觸角大于150°的稱作超疏水表面。通常采用YOUNG T提出的楊氏方程[8]表達(dá)接觸角和表面能的關(guān)系：

式中：

γSV——固-氣間的平衡表面張力；

γSL——固-液間的平衡表面張力；

γLV——液-氣間的平衡表面張力；

θ ——平衡接觸角。

圖1 接觸角示意圖

楊氏方程只適合理想的光滑表面。實(shí)際的表面在經(jīng)過放大之后其實(shí)是粗糙不平的，因此實(shí)際表面的接觸角必須考慮表面粗糙度，目前廣泛接受的理論有Wenzel理論[9-10]和Cassie理論[11-12]。

Wenzel模型是針對水滴完全潤濕表面，如圖2，Wenzel方程為：

式中：

θr——粗糙表觀接觸角，

r——表面粗糙因子，即表面的實(shí)際面積與投影面積的比值。

Wenzel方程亦有很多局限性，很多的現(xiàn)象都不能很好地被解釋。CASSIE A B D等[11]進(jìn)一步研究了由固體和氣體復(fù)合表面的接觸角性質(zhì)。復(fù)合表面上的浸潤性是各個表面性質(zhì)的加和，表觀接觸角θr與各組分本征接觸角的關(guān)系見式(3)。此式即為Cassie-Baxter方程，如圖2。

式中：

θ1, θ2——液滴在兩種成分表面的本征接觸角；

f1, f2——兩種成分所占的表觀面積f1+f2=1。

若一種成分是空氣，即θ2=180°，因?yàn)榭諝夂退慕佑|角定義為180°，則上述方程可以簡化為：

圖2 液滴與粗糙表面接觸狀態(tài)

2 實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

在金屬基體超疏水表面的抗凝露抗結(jié)霜的研究中，對于不同的微結(jié)構(gòu)抗結(jié)霜的性能，并未得出一個統(tǒng)一的認(rèn)識。研究者提出，通過初次結(jié)霜時間、霜層的覆蓋率[13-15]、霜層的重量[16]以及多次結(jié)霜融霜后超疏水性能的變化[17]等指標(biāo)來定性超疏水表面的抗凝露抗結(jié)霜性能，但是由于所得到的超疏水表面是通過各種各樣的方法制得，其微觀結(jié)構(gòu)雖然都是微納復(fù)合結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)或者微米結(jié)構(gòu)，但是其表面形貌差別很大，評價指標(biāo)不盡相同，因此導(dǎo)致其在抗凝露抗結(jié)霜性能上的差異。

部分研究者認(rèn)為微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的超疏水表面有較好的抗凝露抗結(jié)霜性能。

張友法等[13]利用高速噴丸處理的方法在鋼的表面得到了微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，經(jīng)氟化處理后得到了最大水滴接觸角為160°、滾動角為2°的超疏水表面。在環(huán)境溫度為5 ℃、冷表面溫度為-5 ℃、相對濕度為77%的條件下，觀察樣品表面霜層高度隨著時間變化的情況，結(jié)果表明，前4 min內(nèi)，鋼超疏水表面霜層稀疏，霜高非常?。欢唇?jīng)過處理的鋼表面已完全形成霜層，且分布很均勻。由此可見，經(jīng)高能噴丸法處理且氟化后的鋼表面在結(jié)霜的初期有較好的抗結(jié)霜性能。

HUANG L等[17]采用溶液浸泡法，經(jīng)FAS修飾后在銅表面制備了微納復(fù)合氧化銅結(jié)構(gòu)。在冷表面溫度為-7 ℃、空氣溫度為27 ℃、相對濕度為46%的條件下，對比了超疏水表面與普通銅表面抗凝露抗結(jié)霜效果。實(shí)驗(yàn)表明，在超疏水表面凝結(jié)的水滴呈現(xiàn)完美的球形，且其尺寸較小，也更分散。不僅結(jié)霜的時間有了很大的推遲，制冷系統(tǒng)關(guān)閉后，其化霜的時間也更快。且其制備的超疏水表面在空氣中放置1個月后，仍然有很好的抗結(jié)霜效果，具有較好的環(huán)境穩(wěn)定性。

KULINICH S A等[18]研究了微納復(fù)合機(jī)構(gòu)的超疏水表面在不同外界條件下的抗結(jié)冰性能，結(jié)果表明，某些微納復(fù)合結(jié)構(gòu)超疏水表面會在結(jié)冰融冰的不斷交替中，其微觀結(jié)構(gòu)會遭到破壞，導(dǎo)致其抗結(jié)霜抗結(jié)冰的性能下降，作者認(rèn)為是存在于微納復(fù)合結(jié)構(gòu)中的水會結(jié)冰致使其體積膨脹，脹壞了超疏水表面的微結(jié)構(gòu)。

WANG Q等[19]利用硬脂酸復(fù)合鹽酸腐蝕鋁表面制備了超疏水表面，對比研究了純鋁和涂有硅橡膠的鋁的抗結(jié)霜性能。實(shí)驗(yàn)表明，在同樣的條件下，超疏水表面僅有一些冰聚集，而純鋁和涂有橡膠的鋁表面全部被冰塊覆蓋。

周艷艷等[14]利用化學(xué)刻蝕的方法在鋁表面構(gòu)建了微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，經(jīng)氟硅烷修飾后得到了接觸角大于155°的超疏水表面。在溫度為-28 ℃的條件下，利用加濕器噴出（5～10）μm的霧狀小水滴，對比觀察普通鋁表面和超疏水鋁表面。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超疏水表面上所形成的霜分布很不均勻，部分表面上出現(xiàn)枝狀的霜晶，部分地方?jīng)]有出現(xiàn)結(jié)霜，并且所結(jié)的霜松軟，易脫落；而在普通的鋁表面，霜層已經(jīng)遍布于表面。實(shí)驗(yàn)還表明，接觸角越大的表面，其抗結(jié)霜的性能越好，疏水效果隨著結(jié)霜融霜的進(jìn)行會有所降低，但是在100 ℃烘干后，其超疏水的性能重新恢復(fù)，結(jié)霜融霜并未破壞疏水性能。

徐文驥等[20]借助電化學(xué)加工和氟化處理制備了鋁基體超疏水表面，測得其接觸角為160°，滾動角小于5°。在鋁表面溫度為-5.2 ℃、環(huán)境溫度為28.7 ℃、濕度為70%的條件下，進(jìn)行普通表面和超疏水表面的抗結(jié)霜實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，超疏水鋁表面和普通鋁表面的邊緣幾乎同時開始結(jié)霜，霜的高度也幾乎一樣，但超疏水表面其中間凝結(jié)的水珠在535 s時才全部凍結(jié)，超疏水表面總的結(jié)霜量要小于普通鋁表面。

趙坤等[16]利用化學(xué)刻蝕和棕櫚酸修飾的方法在鋁合金表面制備了仿生超疏水表面，水滴與表面的接觸角達(dá)到157°，滾動角小于3°。在環(huán)境溫度為-8 ℃、相對濕度為40%～50%的條件下，測得超疏水表面的結(jié)霜量遠(yuǎn)小于未處理的鋁合金表面的結(jié)霜量。

另一部分研究者認(rèn)為納米結(jié)構(gòu)超疏水表面具有較好的抗凝露抗結(jié)霜性能。

LAFUMA A等[21]研究表明，納米結(jié)構(gòu)的超疏水表面上的水蒸氣比較微米結(jié)構(gòu)表面不易冷凝。

丁云飛等[15]采用靜電紡絲法，在鋁的表面制得了7種納米纖維結(jié)構(gòu)、微米顆粒結(jié)構(gòu)、微納米顆粒纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)的疏水表面，其表面接觸角在139°～152°之間。在表面溫度為-7 ℃、環(huán)境溫度為18 ℃、相對濕度為60%的條件下進(jìn)行7組樣品對比結(jié)霜實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，全納米纖維結(jié)構(gòu)表面能有效延遲初始霜晶出現(xiàn)的時間，霜的覆蓋率最低，抑霜性能最佳；微納米顆粒纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)初始霜出現(xiàn)的時間和未處理的鋁片相同，且霜層覆蓋率較高，抑霜效果較差。作者提出利用分型維數(shù)來評價疏水表面的抗結(jié)霜性能，分型維數(shù)最小的表面抗結(jié)霜性能最好，抑霜的性能并不一定與疏水性能呈正比的關(guān)系。

李會娟等[22]利用一步變電壓電化學(xué)樣機(jī)氧化法在鋁的表面制備了納米級的超疏水表面。其表面的孔徑為120 nm左右，孔的間距為160 nm和突起直徑40 nm左右，測得接觸角大于160°，滾動角接近0°。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在高濕度的條件下，凝露的時間明顯延長，且水蒸氣滴狀冷凝在超疏水表面，有輕微外力可以使得凝結(jié)水滑落表面。在結(jié)霜的條件下，超疏水鋁表面的結(jié)霜量最少。

3 機(jī)理分析研究進(jìn)展

超疏水表面抑霜的機(jī)理，目前尚無統(tǒng)一定論。部分研究者認(rèn)為是由于微納復(fù)合結(jié)構(gòu)超疏水表面較大的接觸角導(dǎo)致形成凝結(jié)水的勢壘較大，因此不易形成凝結(jié)水。由于凝結(jié)水與表面的接觸面積較小、換熱量小，因此凝結(jié)水不易結(jié)霜。

WANG H等[23]認(rèn)為由于水和超疏水表面的接觸角較大，抑制了表面與水之間的傳熱和凝結(jié)水的形成，最終抑制了霜的形成。

勾昱君等[24]分析認(rèn)為，微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的超疏水表面與凝結(jié)水的接觸角較大，而接觸角的大小直接影響著水滴或者霜在表面的形成。因?yàn)槟Y(jié)水的形成必須跨過一個熱力學(xué)勢壘GC，新相晶核才能生成長大，GC的值與表面接觸角的大小密切相關(guān)，一般換熱器疏水表面的接觸角在110°左右，成核的勢壘為接觸角為50°親水表面的8.8倍，在實(shí)驗(yàn)中其選用接觸角為162°的超疏水表面，其勢壘是接觸角為50°的11.8倍，因此超疏水表面凝結(jié)水形成晚而且稀疏，也解釋了超疏水表面在實(shí)驗(yàn)55 min后才開始出現(xiàn)霜晶的原因。

張友法等[13]認(rèn)為微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的超疏水鋼表面與水滴接觸時，其表面窩藏的空氣形成了“氣墊”，顯著減小了水滴與鋼表面的接觸面積，在低溫情況下，有效降低了水滴與表面的熱量交換，從而導(dǎo)致水分子難以凝結(jié)成核，抑制了霜晶基礎(chǔ)上霜層的形成。

周艷艷等[14]分析鋁超疏水表面抗結(jié)霜性能認(rèn)為，由于實(shí)驗(yàn)中噴出的水滴粒徑為微米級，同時超疏水表面結(jié)構(gòu)也是微米級別，但是其大小不一致，致使粒徑小于鋁表面微米凹槽的水滴會進(jìn)入到凹槽中擠出里面的空氣，使鋁表面喪失超疏水效果，出現(xiàn)結(jié)霜的情況；粒徑大于鋁表面的凹槽的水滴會直接滑落。其原理如圖3，圖中實(shí)心球表示粒徑較小的水滴，空心球表示粒徑較大的水滴。

圖3 結(jié)霜機(jī)理示意圖

徐文驥等[20]在分析鋁基體超疏水表面中間結(jié)霜較慢的時候提出，超疏水表面中間部分經(jīng)冷凝形成的水珠變成了Wenzel狀態(tài)，其接觸角變大，生成液核的熱力學(xué)勢壘也變大，活化率減小，以及表面的過飽和壓力小，導(dǎo)致水珠生長緩慢，分布稀疏；接觸角變大導(dǎo)致相同體積的液滴高度越高，生成冰核的勢壘也增大，活化率降低，導(dǎo)致水滴難以凍結(jié)，霜晶稀疏，且生長緩慢。

另外也有研究者認(rèn)為，垂直針狀納米微結(jié)構(gòu)因?yàn)槠浔砻孀赃w移現(xiàn)象，從而有較好凝露抗結(jié)霜性能。

龐藝川等[25]利用氧化還原反應(yīng)在銅的表面制備了僅有納米結(jié)構(gòu)的4種超疏水表面，接觸角都達(dá)到150°以上，滾動角均小于2°。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，只有垂直針狀結(jié)構(gòu)的表面在低溫高濕的環(huán)境下，表面凝結(jié)的水滴會呈Cassie狀態(tài)，在超疏水表面出現(xiàn)快速自遷移的現(xiàn)象。作者認(rèn)為垂直納米針表面水滴凝結(jié)時，由于其納米結(jié)構(gòu)的間距很小，使得Wenzel狀態(tài)的水滴產(chǎn)生了很高的Laplace壓力，冷凝水會從間隙內(nèi)溢出，由Wenzel狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镃assie狀態(tài)，釋放出了能量，即導(dǎo)致了自遷移的現(xiàn)象。冷凝水滴的自遷移對超疏水表面抗冷凝抗結(jié)霜具有很重要的意義。李慧娟的研究[22]也對其作出了驗(yàn)證。

4 超疏水表面換熱研究進(jìn)展

熱泵工況下，室外換熱器的結(jié)霜一直困擾著研究者，超疏水表面提供了一個很好的方向，但是在室外換熱器上實(shí)現(xiàn)真正的應(yīng)用，還有許多的研究需要進(jìn)行。比如超疏水表面的換熱性能還很少有研究，其對換熱性能的影響尚無確切定論。

目前，超疏水表面換熱的研究主要集中在其表面的冷凝傳熱，也有少量的液體掠過表面的換熱研究，但是對于空氣掠過超疏水表面的研究還很少。

王四芳等[26]在紫銅基上制備了微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的超疏水表面，以及相同條件修飾的光滑疏水表面。實(shí)驗(yàn)研究了純蒸汽、蒸汽-空氣混合氣體條件下，不同表面的滴狀冷凝傳熱特性。結(jié)果表明：純蒸汽滴狀冷凝的情況下，光滑疏水表面的傳熱性能明顯高于超疏水表面的傳熱性能；含低濃度不凝氣體蒸汽的條件下，光滑疏水表面與超疏水表面換熱性能相差無幾。作者認(rèn)為，微納米結(jié)構(gòu)中水蒸氣凝結(jié)液的存在增加了傳熱熱阻、抑制了傳熱性能。

ZHONG L等[27]提出在純蒸汽冷凝的情況下，超疏水表面由于形成了復(fù)合冷凝的表面，會對滴狀冷凝換熱造成惡化；而宋永吉等[28]認(rèn)為超疏水表面形成的滴狀冷凝比傳統(tǒng)膜狀冷凝的傳熱系數(shù)要高出（3～4）倍。

宋善鵬等[29]利用化學(xué)刻蝕的方法制備了超疏水和超親水表面的鋁基體微通道，他們發(fā)現(xiàn)微納米級的階層結(jié)構(gòu)能捕捉空氣形成氣泡，使得水流動時能減小水與壁面的摩擦阻力。然而這種微納米氣泡也會阻礙流體的傳熱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超疏水表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)要低于超親水表面的傳熱系數(shù)，但是要比僅僅只有空氣層導(dǎo)熱的表觀傳熱系數(shù)要高。這是由于在水的作用下，凹槽里出現(xiàn)了渦旋流動，強(qiáng)化了氣體的傳熱。因此作者認(rèn)為，超疏水表面微通道具有較小的流體阻力和較好的傳熱性能。

范新欣等[30]研究了圓管性微通道內(nèi)恒熱流量對流換熱，推導(dǎo)出了溫度和速度分布的表達(dá)式，最后得到對流傳熱系數(shù)和Nusselt數(shù)計算公式。并且針對超疏水表面各種結(jié)構(gòu)參數(shù)的微納米結(jié)構(gòu)里的空氣層，提出了超疏水表面的導(dǎo)熱模型，推導(dǎo)各種結(jié)構(gòu)參數(shù)超疏水表面的熱阻。最后綜合傳熱系數(shù)和超疏水表面熱阻進(jìn)行耦合處理，得到了超疏水表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與超疏水表面結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明：超疏水表面上流體的滑移有利于室內(nèi)溫度的均勻，增加傳熱系數(shù)和Nusselt數(shù)，在恒熱流的情況下，最多可以增加1.8倍；肋間距和肋高的增大會導(dǎo)致超疏水表面熱阻的增加；肋間距的增加會導(dǎo)致超疏水表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)顯著降低，肋高的增加也會導(dǎo)致傳熱系數(shù)的降低，降低的幅度主要受肋間距和肋高與肋間距之比影響；不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)下，超疏水表面都存在一個能滯留空氣層的臨界厚度，比臨界厚度小的超疏水表面其傳熱系數(shù)不會低于普通無滑移的表面。因此，作者認(rèn)為必須全面考慮影響超疏水表面換熱的因素，才能使超疏水表面能有利于換熱。

總體來說，對超疏水表面換熱性能的研究偏少，尤其是超疏水表面在室溫條件下空氣換熱性能的研究更是少有文獻(xiàn)發(fā)表。必須加大這方面的研究，才能為超疏水表面應(yīng)用到制冷空調(diào)領(lǐng)域提供借鑒。

5 微通道換熱器應(yīng)用超疏水表面分析

近年來，隨著銅材價格逐漸走高，微通道換熱器開始逐漸應(yīng)用在家用和商用空調(diào)領(lǐng)域。微通道換熱器應(yīng)用到空調(diào)中有很多的優(yōu)點(diǎn)，如傳熱效率高、能夠提高空調(diào)的能效比、減小空調(diào)的體積以及更少的制冷劑充注量。

自從Johnson Controls將微通道換熱器用于商用空調(diào)系統(tǒng)，微通道換熱器作為冷凝器應(yīng)用在制冷空調(diào)領(lǐng)域取得了很大的進(jìn)步。然而，在熱泵工況下，應(yīng)用在制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器中的微通道換熱器存在許多問題需要解決。主要有以下幾個問題。

凝結(jié)水的積存。在微通道換熱器中，由于使用平行流動的扁管替代換熱器的圓形管道，導(dǎo)致凝結(jié)水與換熱器之間的接觸角和接觸的面積較大，排除凝結(jié)水的過程中，由于表面的粘性力和水的重力大小差不多，凝結(jié)水的排除速度幾乎保持不變，使得凝結(jié)水不易排盡。而在普通銅管鋁翅片換熱器中，其排除凝結(jié)水的速度較微通道換熱器要快很多。實(shí)驗(yàn)表明，微通道換熱器和銅管鋁翅片換熱器都垂直放置的情況下，微通道換熱器80%的凝結(jié)水需要10 s的時間排除，而銅管翅片換熱器只需要1 s就可以排除[31-32]。

微通道換熱器不能用于熱泵系統(tǒng)是因?yàn)槠渥鳛檎舭l(fā)器的時候，會遇到嚴(yán)重的結(jié)霜問題。微通道換熱器比普通銅管換熱器結(jié)霜更多，且其化霜所需要的時間更長。在最初結(jié)霜時，其結(jié)霜的速率是普通銅管鋁翅片的1.25倍，化霜的時間比銅管鋁翅片換熱器長40%，而化霜后結(jié)霜的時間也比普通銅管鋁翅片換熱器更快[33]。

金屬基體超疏水表面抗凝露抗結(jié)霜性能較佳，可以為微通道換熱器的凝結(jié)水和結(jié)霜問題提供一個很好的方向。在微通道換熱器設(shè)計的時候，可以將扁管稍稍傾斜，與水平方向有個夾角α，如圖4。再結(jié)合超疏水表面水滴易排除的優(yōu)點(diǎn)，并且超疏水表面形成凝結(jié)水能量勢壘更大，凝結(jié)水不易生成，且能更快地滑落，能減少霜的形成。

圖4 微通道設(shè)計圖

6 總結(jié)

本文總結(jié)了金屬基體超疏水表面抗凝露抗結(jié)霜的研究進(jìn)展，包括實(shí)驗(yàn)研究、機(jī)理研究和換熱性能的研究，并對其應(yīng)用在制冷空調(diào)領(lǐng)域提出一些觀點(diǎn)。金屬基體超疏水表面其表面微結(jié)構(gòu)為微納復(fù)合或者納米結(jié)構(gòu)都是有抗凝露抗結(jié)霜效果的，但是由于制備出的微觀結(jié)構(gòu)不規(guī)整，有很大的區(qū)別，導(dǎo)致不同的學(xué)者得出不同的結(jié)論?？鼓犊菇Y(jié)霜的機(jī)理從超疏水表面的凝結(jié)水形成有較大的能量勢壘，發(fā)展到納米結(jié)構(gòu)超疏水表面液體自遷移現(xiàn)象對其抗凝露抗結(jié)霜性能的影響。

微通道換熱器應(yīng)用到熱泵工況下的空調(diào)換熱器的凝露結(jié)霜問題，一直都是困擾著研究者的問題。結(jié)合金屬基體抗凝露抗結(jié)霜的良好性能，和其自清潔性能，將金屬基體超疏水表面應(yīng)用到微通道換熱器中，可以為微通道換熱器應(yīng)用到家用空調(diào)領(lǐng)域提供一個突破。

但是目前還存在較多的問題，今后，可以從以下這些方面進(jìn)行更深入的研究。

1）超疏水表面抗凝露抗結(jié)霜的數(shù)學(xué)模型并未完善，盡量做到具有統(tǒng)一性和普適性，并且數(shù)學(xué)模擬進(jìn)行的研究還很少，應(yīng)盡快在這方面開展研究，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)。

2）金屬基體超疏水表面微觀結(jié)構(gòu)的可控制備并沒有完全實(shí)現(xiàn)，并且所得的微觀結(jié)構(gòu)不規(guī)整，對其理論分析造成了困難，應(yīng)積極尋找更先進(jìn)的加工方法來制備金屬基體超疏水表面。

3）超疏水表面微觀結(jié)構(gòu)易受到破壞，提高超疏水表面的強(qiáng)度很重要，還需在實(shí)際室外結(jié)霜的環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出超疏水表面在室外復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性。

4）改進(jìn)完善實(shí)驗(yàn)方案，開展在微通道換熱器上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為實(shí)際應(yīng)用提供借鑒。

目前對于超疏水表面換熱性能的研究還不足，而在制冷空調(diào)領(lǐng)域換熱性能是很重要的性質(zhì)。特別是空氣與超疏水表面的換熱性能，更是少有研究者涉及，在這方面加大研究，可以為超疏水表面應(yīng)用到制冷空調(diào)領(lǐng)域提供一個很好的基礎(chǔ)。

[1] 范晨, 梁彩華, 江楚遙, 等. 空氣源熱泵結(jié)霜/除霜特性的數(shù)值模擬[J]. 制冷技術(shù), 2014, 34(1): 18-24.

[2] BARROW H. A note on frosting of heat pump evaporator surfaces[J]. Journal of Heat Recovery Systems, 1985, 5(3): 195-201.

[3] 劉清江, 劉中良, 王洪燕等. 自然對流條件下疏水表面與普通金屬表面霜生長的對比研究[J]. 制冷與空調(diào), 2004,4(3):20-23.

[4] 張勝昌, 江挺候, 康志軍. 換熱器結(jié)霜和化霜研究進(jìn)展[J]. 制冷技術(shù), 2012, 32(2): 33-36.

[5] XIA Y, ZHONG Y, HRNJAK P S, et al. Frost, defrost, and refrost and its impact on the air-side thermal-hydraulic performance of louvered-fin, flat-tube heat exchangers[J]. International Journal of Refrigeration, 2006, 29(7): 1066-1079.

[6] 李四祥. 房間空調(diào)器凝露問題的分析[J]. 制冷技術(shù), 2006, 26(2): 47-48.

[7] BARTHLOTT W, NEINHUIS C. Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces[J]. Planta, 1997, 202(1): 1-8.

[8] YOUNG T. An essay on the cohesion of fluids[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 1805: 65-87.

[9] WENZEL R N. Resistance of solid surfaces to wetting by water[J]. Industrial and Engineering Chemistry, 1936, 28(8): 988-994.

[10] WENZEL R N. Surface roughness and contact angle[J]. The Journal of Physical Chemistry, 1949, 53(9): 1466-1467.

[11] CASSIE A B D, BAXTER S. Wettability of porous surfaces[J]. Transactions of the Faraday Society, 1944, 40: 546-551.

[12] CASSIE A B D. Contact angles[J]. Discussions of the Faraday Society, 1948, 3: 11-16.

[13] 張友法, 余新泉, 周荃卉, 等. 超疏水鋼表面的制備及其抗結(jié)霜性能[J]. 東南大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2010, 40(6): 1318-1322.

[14] 周艷艷, 于志家. 鋁基超疏水表面抗結(jié)霜特性研究[J].高?；瘜W(xué)工程學(xué)報, 2013, 26(6): 929-933.

[15] 丁云飛, 殷帥, 廖云丹, 等. 納微結(jié)構(gòu)疏水表面結(jié)霜過程及抑霜特性[J]. 化工學(xué)報, 2012, 63(10): 3213-3219.

[16] 趙坤, 楊保平, 張俊彥. 鋁合金基體超疏水表面的制備及防冰霜性能研究[J]. 功能材料, 2010, 41(S1): 80-83.

[17] HUANG L, LIU Z, LIU Y, et al. Preparation and anti-frosting performance of super-hydrophobic surface based on copper foil[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2011, 50(4): 432-439.

[18] FARHADI S, FARZANEH M, KULINICH S A. Anti-icing performance of superhydrophobic surfaces[J]. Applied Surface Science, 2011, 257(14): 6264-6269.

[19] WANG Q, ZHANG B, QU M, et al. Fabrication of superhydrophobic surfaces on engineering material surfaces with stearic acid[J]. Applied Surface Science,2008, 254(7): 2009-2012.

[20] 徐文驥, 宋金龍, 孫晶, 等. 鋁基體超疏水表面的抗結(jié)冰結(jié)霜效果分析[J]. 低溫工程, 2010(6): 11-15.

[21] Lafuma, Quéré. Superhydrophobic states[J]. Nature Material, 2003, 2(7): 457-460.

[22] 李會娟. 超疏水鋁箔的可控制備及抗凝露抗結(jié)霜性能研究[D]. 南京：南京理工大學(xué), 2013.

[23] WANG H, TANG L, WU X, et al. Fabrication and anti-frosting performance of super hydrophobic coating based on modified nano-sized calcium carbonate and ordinary polyacrylate[J]. Applied Surface Science, 2007, 253(22): 8818-8824.

[24] 勾昱君, 劉中良, 王皆騰等. 自然對流條件下仿生超疏水表面的抑霜研究[J]. 工程熱物理學(xué)報, 2007, (4): 631-633.

[25] 龐藝川, 趙穎, 馮杰. 不同超疏水銅表面的濕法氧化制備及抗冷凝性能[J]. 高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報, 2013, 34(4): 919-924.

[26] 王四芳, 蘭忠, 王愛麗, 等. 超疏水表面蒸汽及含不凝氣蒸汽滴狀冷凝傳熱實(shí)驗(yàn)分析[J]. 化工學(xué)報, 2010 (3): 607-611.

[27] ZHONG L, XUEHU M, SIFANG W, et al. Effects of surface free energy and nanostructures on dropwise condensation[J]. Chemical Engineering Journal, 2010, 156(3): 546-552.

[28] SONG Y, REN X, REN S, et al. Condensation Heat Transfer of Steam on Super-Hydrophobic Surfaces[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2007, 28(1): 95.

[29] 宋善鵬, 于志家, 劉興華, 等. 超疏水表面微通道內(nèi)水的傳熱特性[J]. 化工學(xué)報, 2008, 59(10): 2465-2469.

[30] 范新欣, 周玉紅, 劉天慶. 超疏水表面有滑移時的層流換熱分析[J]. 化工學(xué)報, 2010 (3): 594-600.

[31] 丁漢新, 王利, 任能. 微通道換熱器及其在制冷空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用前景[J]. 制冷與空調(diào), 2011, 11(4): 111-115.

[32] 汪年結(jié), 王穎, 李峰, 等. 微通道換熱器在家用空調(diào)上的應(yīng)用研究[J]. 制冷技術(shù), 2014, 34(2): 47-50.

[33] PADHMANABHAN S, CREMASCHI L, FISHER D. Comparison of frost and defrost performance between microchannel coil and fin-and-tube coil for heat pump systems[J]. International Journal of Air-conditioning and Refrigeration, 2011, 19(4): 273-284.

Research Progress on Anti-dew and Anti-frosting Characteristics of Superhydrophobic Surfaces on Metallic Substrates

WANG De-long*, WU Wei-dong, CHEN Xiao-jiao
(School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

The recent research progress on anti-dew and anti-frosting characteristics of superhydrophobic surfaces on metallic substrates was reviewed. The experimental study on anti-dew and anti-frosting characteristics of superhydrophobic surfaces on metallic substrates was summarized. Superhydrophobic surfaces with mico-nano structure or nano structure are effective on anti-dew and anti-frosting characteristics, but there is no general agreement over which one is better. For the mechanisms of anti-dew and anti-frosting characteristics of superhydrophobic surfaces, some researcher thought that condensation water forming on superhydrophobic surfaces with higher energy barrier is the key factor, and other researchers consider that condensed droplet with spontaneously moving by itself has important effect on anti-dew and anti-frosting characteristics. At present, the research on heat exchange between superhydrophobic surface and air was insufficient, and the further study on this topic may provide theory basis for the application of superhydrophobic surfaces in the micro channel heat exchangers.

Superhydrophobic surface; Mico-nano structure; Nano structure; Frosting; Dew

*汪德龍（1990-），男，碩士。研究方向：超疏水表面抗結(jié)霜抗凝露性能。聯(lián)系地址：上海市楊浦區(qū)軍工路516號，郵編：200093。聯(lián)系電話：18818251604。E-mail：wangdelong584520@126.com。