液滴撞擊超疏水表面的能量耗散機制

劉森云， 沈一洲,， 朱春玲,*， 陶杰， 謝磊

1.南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院， 南京 210016 2.南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 南京 210016 3.中航工業(yè)飛機股份有限公司研發(fā)中心 環(huán)控救生所， 漢中 723213

液滴撞擊超疏水表面的能量耗散機制

劉森云1， 沈一洲1,2， 朱春玲1,*， 陶杰2， 謝磊3

1.南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院， 南京 210016 2.南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 南京 210016 3.中航工業(yè)飛機股份有限公司研發(fā)中心 環(huán)控救生所， 漢中 723213

針對飛機表面易結(jié)冰部位設(shè)計超疏水表面，可以大幅度減輕對高能耗防/除冰技術(shù)的依賴程度，進而提高飛機的燃油經(jīng)濟性。主要通過實驗研究與數(shù)值模擬的手段，分析討論了液滴撞擊分級粗糙結(jié)構(gòu)超疏水表面過程中的能量耗散機制。以Ti6Al4V為基體經(jīng)過噴砂處理形成微米級粗糙結(jié)構(gòu)，然后在1 mol/L的低濃度NaOH溶液中水熱生長一層一維納米線，構(gòu)建出微/納米復(fù)合粗糙結(jié)構(gòu)并氟化修飾獲得超疏水表面。通過場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)觀察了微觀形貌的變化規(guī)律，利用動態(tài)視頻接觸角測量儀表征試樣表面液滴表觀接觸角與接觸角滯后?；跉庖簝上嗔鲃咏缑孀粉櫟膹?fù)合Level set-VOF方法，實現(xiàn)了液滴撞擊超疏水表面過程的數(shù)值模擬。采用高速攝像技術(shù)記錄了撞擊液滴在超疏水表面的運動過程，實驗驗證了模擬方法與鋪展計算模型的正確性，并詳細(xì)討論了液滴運動過程中的能量耗散問題，分析表明液滴撞擊過程中的能量耗散主要取決于超疏水表面的動態(tài)潤濕特性和潤濕界面模型。

超疏水表面； 撞擊液滴； 數(shù)值模擬； 能量耗散； 潤濕界面模型

潤濕性是固體表面非常重要的性質(zhì)之一，日常生活中極其容易被觀察到，如荷葉上滾動的水珠、河面上急速行走的水黽、蚊子的防霧眼睛等[1-3]。正是這些常見的自然現(xiàn)象給予了人們巨大的靈感，通過表面化學(xué)組成與表面微觀結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，設(shè)計出特殊非潤濕性的功能表面，即超疏水表面(接觸角大于150°，滾動角小于10°)?；谶@樣的仿生構(gòu)建思路，科研工作者不斷地致力于制備并應(yīng)用這樣的非潤濕性表面[4]。由于其具有巨大的應(yīng)用潛力，例如防水、自清潔、流體減阻、防結(jié)冰及防腐蝕等，超疏水表面的開發(fā)與應(yīng)用將極大地改善和促進能源的進一步可持續(xù)發(fā)展。

考慮到超疏水表面潛在的實際應(yīng)用多是處于動態(tài)條件下，即液滴持續(xù)地撞擊固體表面，大量的小韋伯?dāng)?shù)(We<10)撞擊液滴將首先鋪展到最大直徑，然后收縮到一定程度并最終彈離表面[5-6]。撞擊液滴與固體表面的接觸過程被認(rèn)為是極為重要的，其直接決定了在實際應(yīng)用條件下固-液之間熱量與能量的轉(zhuǎn)化程度[7]，尤其是在固體表面防結(jié)冰研究領(lǐng)域。撞擊液滴在超疏水表面的運動過程中，其能量耗散與固-液接觸時間是評價固體表面防冰性能極為重要的兩個因素。因此，當(dāng)前甚至將來一段時間的相關(guān)研究，不應(yīng)該僅聚焦在超疏水表面的高表觀接觸角和低接觸角滯后的研究上，降低撞擊液滴的固-液接觸時間以及了解液滴運動過程的能量耗散問題也是相當(dāng)重要的課題，研究表明，撞擊液滴在超疏水表面運動過程中克服黏滯阻力做功又直接影響著固-液接觸時間。

目前，一些研究者針對液滴在固體表面的撞擊過程做分析研究，Liu等[8-9]研究發(fā)現(xiàn)，相同微米級尺度條件下，圓錐狀微米結(jié)構(gòu)顯著地增強了撞擊液滴“圓餅”狀反彈的能力，顯示出較小的撞擊液滴的固-液接觸時間以及較低的能量耗散值，同時給出了發(fā)生此現(xiàn)象(“圓餅”狀反彈)的臨界流體條件。Aussillous和Quéré強調(diào)固體表面的潤濕滯后是阻止固體表面液滴運動的關(guān)鍵因素，也是導(dǎo)致運動液滴能量耗散損失的直接原因，最終引起撞擊液滴在固體表面沉積，不能反彈[10]。因此，他們利用疏水的顆粒粉末包裹液體形成一個特殊的球形液滴，來降低液體在固體表面運動的黏滯阻力，最終降低撞擊液滴在固體表面的接觸時間以及能量耗散值。此外，大部分研究者也致力于通過構(gòu)建極其疏水的固體表面，期望在提高表觀接觸角的同時，能夠進一步降低液滴的接觸角滯后，以降低撞擊液滴在固體表面運動的黏滯阻力，降低撞擊液滴的固-液接觸時間以及防冰領(lǐng)域中的熱量與能量交換效率，提高超疏水表面的實際應(yīng)用潛能[11-12]。然而，基于表觀接觸角與接觸角滯后的分析研究，超疏水表面的實際應(yīng)用能力仍然不能夠被完全徹底的表征、評價，初步的撞擊液滴的固-液接觸時間研究也幾乎停留在基本性能測試上，目前仍然不能徹底理解關(guān)于潤濕滯后與撞擊液滴的固-液接觸時間之間的潛在關(guān)系機制，而且對撞擊液滴在超疏水固體表面運動過程中的能量耗散問題始終不能給出詳細(xì)的定量計算過程。

為此，本文將依據(jù)表面微觀結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成

的協(xié)調(diào)作用，設(shè)計、制備出超疏水性的固體表面，重點分析討論撞擊液滴在超疏水固體表面的運動過程，并基于此，定量地分析撞擊液滴在固體表面運動過程中的能量耗散問題，以及液滴在固體表面的運動特性，期望能夠進一步推動超疏水表面的實際應(yīng)用能力，尤其是在固體表面防結(jié)冰應(yīng)用領(lǐng)域。

1 實 驗

1.1 材 料

實驗選用的基體材料為寶雞鈦業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的Ti6Al4V鈦合金板材(10 mm×10 mm×2 mm)；低表面自由能修飾劑為1H, 1H, 2H, 2H-十七氟癸基三甲氧基硅烷(FAS-17)，由日本東京化學(xué)制品有限公司生產(chǎn)；其他實驗過程中使用的化學(xué)試劑主要有氫氧化鈉、鹽酸、乙醇、丙酮等，屬于分析純級，購置于國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.2 超疏水表面的制備工藝過程

依據(jù)微觀結(jié)構(gòu)與表面化學(xué)組成對表面超疏水性的協(xié)調(diào)作用，超疏水表面的制備工藝流程主要包含微納米二級結(jié)構(gòu)的構(gòu)建及表面低能化修飾過程，流程圖如圖1所示。

試樣前處理：首先分別用0～6#金相砂紙對Ti6Al4V基體表面進行拋光處理，然后依次在丙酮、乙醇、去離子水中超聲清洗10 min，烘干備用。

噴砂處理：利用氧化鋁顆粒(150目)在0.5 MPa壓強下對已拋光試樣進行噴砂處理10 s。隨后再依次在丙酮、乙醇、去離子水中超聲清洗10 min，烘干備用。

水熱處理：將噴砂完的試樣放入盛有30 mL1 mol/L NaOH溶液的反應(yīng)釜中，在220 ℃烘箱中反應(yīng)8 h，待反應(yīng)釜空冷至室溫，取出試樣并于1 mol/L的稀HCl溶液中浸泡30 min，用去離子水洗凈試樣表面。最后將試樣放入馬弗爐中(升溫速率為2 ℃/min)在500 ℃條件下保溫3 h，隨后爐冷至室溫。

圖1 超疏水表面制備工藝流程
Fig.1 Fabrication process of superhydrophobic surfaces

氟化修飾處理：將水熱處理完的試樣浸泡于1 wt% FAS-17乙醇溶液中，浸漬24 h，隨后在120 ℃烘箱中干燥2 h，獲得最終超疏水試樣。

1.3 表面形貌和潤濕性能的表征及液滴撞擊過程觀察

采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM, Hitachi S4800, Japan)觀察試樣表面的微觀結(jié)構(gòu)形貌，同時利用X射線光電子能譜分析儀(XPS, Kratos AXIS UltraDLD, Japan)分析表面微觀結(jié)構(gòu)的化學(xué)組成。采用光學(xué)接觸角測量儀(Optical Contact Angle Meter) (JC2000D7M, Zhong Chen Ltd., Shanghai)對試樣表面的靜態(tài)和動態(tài)潤濕性能進行分析，測量精度為±0.1°。所用液滴體積大小為4 μL，為了保證4 μL的液滴能夠順利擠出，選用內(nèi)徑僅有0.03 mm的超細(xì)針頭，同時對其進行疏水化處理。采用圓形擬合法計算出光學(xué)圖片中液滴的表觀接觸角(Apparent Contact Angle， APCA)，在試樣表面形成球形液滴后，繼續(xù)以很低的速度往液滴中加入液體，使其體積不斷增大。開始時，液滴與固體表面的接觸面積并不發(fā)生變化，但接觸角漸漸增大。當(dāng)液滴的體積增大到某一臨界值時，液滴在固體表面的三相接觸線向外移動，移動前瞬間的接觸角被稱為前進接觸角(Advancing Contact Angle，ACA)。反之，獲得后退接觸角(Receding Contact Angle，RCA)。前進接觸角與后退接觸角的差值稱為接觸角滯后(Contact Angle Hysteresis，CAH)，接觸角滯后是反映液體在固體表面運動特性的重要參數(shù)之一。此外，由于本實驗中制備的超疏水試樣表面具有較高的接觸角，為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，測試結(jié)果取5次測量數(shù)據(jù)的平均值。

利用高速攝像機(High-Speed Camera, Photron Mini 100)記錄液滴撞擊超疏水試樣表面的動態(tài)接觸過程，控制液滴撞擊速度為1 m/s，并分析液滴在試樣表面的流體動力學(xué)黏滯行為及液滴撞擊試樣表面的反彈接觸時間，攝像機記錄幀數(shù)為10 000幀/s，具體如圖2所示。

圖2 拍攝液滴撞擊超疏水表面過程的裝置示意圖
Fig.2 Schematic diagram of capturing process of droplet impacting superhydrophobic surfaces

2 數(shù)值模擬

2.1 VOF耦合Level-set方法

采用VOF兩相流模型并耦合Level-set函數(shù)，通過求解氣液兩相的體積分?jǐn)?shù)，進行氣液相界面追蹤[13]。撞擊液滴作為次相，其體積分?jǐn)?shù)的連續(xù)性方程為

(1)

式中：ρs為次相流體密度；αs為次相流體體積分?jǐn)?shù)；vs為速度向量。

根據(jù)所有相體積分?jǐn)?shù)總和為1的約束，主相空氣的體積分?jǐn)?shù)可表示為

αp=1-αs

(2)

Level-set函數(shù)φ(x,t)具有較好的光滑性和連續(xù)性，其具體表達式為

(3)

氣液界面處的外法向量從液體指向氣體，可表示為

(4)

界面的曲率可表示為

(5)

為了保證任意時刻Level-set函數(shù)的零等值面就是自由界面，需要滿足守恒方程：

(6)

2.2 表面張力與壁面浸潤模型

通過對動量方程添加源項的方法，引入表面張力與壁面浸潤模型，實現(xiàn)水滴撞擊過程的兩相流模擬。添加源項后的動量方程為

(7)

式中：μ為動力黏度；F為由表面張力σ產(chǎn)生的動量源項，基于CSF(Continuum Surface Force)模型計算[14],有

(8)

壁面浸潤模型主要是通過接觸角θwall修正壁面附近的界面法向向量：

n=nwallcosθwall+twallsinθwall

(9)

式中：nwall為壁面的單位法向向量；twall為壁面的單位切向向量。

2.3 計算模型

利用商業(yè)軟件FLUENT進行數(shù)值模擬，計算域為二維正方形，邊長為15 mm，網(wǎng)格數(shù)量為100萬。計算采用基于氣液兩相流動界面追蹤的復(fù)合Level set-VOF模型，壁面采用無滑移邊界條件，潤濕浸潤模型接觸角為161°，其他邊界為壓力出口條件，利用PISO(Pressure Implicit Split Operator)方法進行壓力和速度的耦合，界面重構(gòu)采用Geo-Reconstruct方法。

3 結(jié)果與討論

3.1 超疏水表面形貌及化學(xué)成分

超疏水表面的制備主要取決于固體表面微觀結(jié)構(gòu)與表面化學(xué)成分[15-16]。首先利用傳統(tǒng)噴砂工藝構(gòu)建初級微米級凹凸結(jié)構(gòu)，高速的硬質(zhì)氧化鋁顆粒不斷地撞擊鈦合金表面，對鈦合金表面產(chǎn)生沖蝕作用，導(dǎo)致在鈦合金表面形成凹凸不平的微米級丘陵狀粗糙結(jié)構(gòu)，如圖3(a)所示。隨后，利用水熱處理技術(shù)在噴砂形成的微米級凹凸結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，原位生長一層納米線結(jié)構(gòu)(見圖3(b)～圖3(d))，實現(xiàn)超疏水表面Cassie-Baxter潤濕模型所需的微納米二級復(fù)合結(jié)構(gòu)。由圖3(c)和圖3(d)可知，引入納米線結(jié)構(gòu)顯著地增加了試樣的比表面積，有利于增加與含氟低表面自由能基團的接枝面積。

圖3 試樣超疏水表面微觀結(jié)構(gòu)形貌
Fig.3 Morphologies of sample superhydrophobic surfaces

由于FAS-17表面自由能很小，常被用來修飾粗糙結(jié)構(gòu)使固體表面疏水化。在乙醇溶液中，F(xiàn)AS-17分子首先發(fā)生水解反應(yīng)，Si—OR基轉(zhuǎn)變成Si—OH基，然后與固體表面TiO2發(fā)生縮水反應(yīng)形成共價鍵鏈接，且FAS-17分子之間也會發(fā)生縮水反應(yīng)形成共價鍵鏈接。因此，能夠有效地改變微納米二級復(fù)合結(jié)構(gòu)表面的化學(xué)組成，獲得低表面能結(jié)構(gòu)表面。圖4為試樣氟化修飾處理前后的XPS圖譜。發(fā)現(xiàn)修飾處理后的試樣表面明顯出現(xiàn)了F1s及FKLL特征峰，而且在高分辨圖譜中也觀察到了—CF2及—CF3對應(yīng)的特征峰。因此，可確認(rèn)經(jīng)過氟化修飾后，微納米二級復(fù)合結(jié)構(gòu)表面的化學(xué)成分已經(jīng)發(fā)生改變，處于低表面自由能狀態(tài)，獲得超疏水性能。

圖4 微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)表面氟化修飾處理前后XPS圖譜
Fig.4 XPS spectrum of micro-nanostructures surfacebefore and after being modified with FAS-17

3.2 超疏水表面潤濕性能

圖5為4 μL微小液滴獲得的超疏水試樣表面的光學(xué)照片，可以清晰地觀察到液滴幾乎呈現(xiàn)出完整的球形，表明試樣表面具有較高的超疏水性能。在微米級凹凸結(jié)構(gòu)表面水熱生長一層具有較大長徑比的TiO2納米線，形成理想的微納米二級復(fù)合結(jié)構(gòu)表面，此時，表面液滴的潤濕模型完全處于穩(wěn)定的Cassie-Baxter潤濕模型。在微納米二級復(fù)合結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用下，大量的空氣被捕獲在液滴下方，導(dǎo)致液滴幾乎懸停在固體試樣表面[17-18]。試樣表面的液滴表觀接觸角θ*符合Cassie-Baxter潤濕方程：

cosθ*=f1cosθ+f1-1

(10)

式中：θ為光滑基體氟化修飾后的本征接觸角；f1為表觀復(fù)合接觸界面上固-液接觸面積的比值分?jǐn)?shù)。

因此，在二級復(fù)合結(jié)構(gòu)的超疏水表面其液滴表觀接觸角主要取決于表觀復(fù)合接觸界面上固-液接觸面積的比值分?jǐn)?shù)f1，當(dāng)水熱反應(yīng)8 h時，在微米級凹凸結(jié)構(gòu)表面生長了一層有序的納米線結(jié)構(gòu)，且尺寸相對較大，在微米級凹凸結(jié)構(gòu)協(xié)同作用下捕獲了大量的空氣，極大地降低了表觀復(fù)合接觸界面上固-液接觸面積的比值分?jǐn)?shù)f1(≈10%)，引起較高的表觀接觸角，達到161.4°。而且由于制備納米線結(jié)構(gòu)處于完全開放的狀態(tài)，其表面捕獲的空氣易于流動，使表面液滴具有極低的黏滯性，接觸角滯后低至1.56°，見表1(由于試樣表面動態(tài)接觸角較大，約為160°，導(dǎo)致接觸角滯后測量結(jié)果存在一定的差異)。

圖5 微小液滴在超疏水試樣表面的光學(xué)照片
Fig.5 Optical picture of a microdroplet onsuperhydrophobic sample surface

Table1Testresultsofwettingparametersofsuperhydrophobicsamplesurface

Test12345AveragevalueAPCA/(°)160．2160．4161．3162．3162．7161．4ACA/(°)161．2162．9160．5161．8163．4162．0RCA/(°)159．6159．7160．3161．0161．4160．4CAH/(°)1．63．20．20．82．01．56

3.3 液滴撞擊超疏水表面接觸過程的能量耗散機制

3.3.1 撞擊液滴在超疏水表面的運動過程

考慮到超疏水表面的實際應(yīng)用領(lǐng)域尤其是防冰領(lǐng)域，液滴與固體表面的接觸過程是一種動態(tài)過程，而撞擊液滴在超疏水表面運動過程中的黏滯耗散能直接影響撞擊液滴在超疏水表面運動的力學(xué)行為，進而影響撞擊液滴的固-液接觸時間和液滴與固體表面之間的熱量與能量的交換情況。因而，通過觀察與計算撞擊液滴在超疏水表面運動過程中的黏滯耗散能，對研究降低撞擊液滴的固-液接觸時間以及防冰領(lǐng)域中的熱量與能量交換效率具有重要的意義[19-20]。

圖6為液滴以1 m/s的撞擊速度在超疏水表面的接觸反彈運動過程，從圖中可以清晰地看出液滴主要經(jīng)歷鋪展和收縮兩個過程，液滴大約在2.9 ms時，鋪展到最大直徑，由于液滴內(nèi)部流體動力學(xué)的分布，液滴邊緣位置厚度較大，中心部位水膜厚度較小，在經(jīng)過大約1.5 ms的液滴內(nèi)部均勻化時間后，液滴厚度逐漸趨于一致，繼而開始發(fā)生收縮過程直至11.1 ms左右，液滴反彈離開試樣表面。

圖7為2 mm直徑的水滴，以1 m/s的撞擊速度在超疏水表面接觸反彈的運動數(shù)值模擬結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)液滴的數(shù)值模擬運動過程幾乎與實驗觀察到的過程一致，進一步驗證了數(shù)值模型建立與撞擊液滴鋪展、收縮過程計算的正確性。

圖6 撞擊液滴在超疏水表面運動過程
Fig.6 Moving process of impact droplet on
surperhydrophobic surface

圖7 撞擊液滴在超疏水表面運動的數(shù)值模擬過程
Fig.7 Simulation of moving process of impact droplet on surperhydrophobic surface

3.3.2 撞擊液滴直徑變化規(guī)律

撞擊液滴在超疏水表面進行鋪展和收縮運動的過程中，其液滴與固體表面接觸圓直徑D與液滴初始直徑D0的比值變換關(guān)系如圖8所示。從圖中可以看出，利用數(shù)值模擬手段獲得曲線與實驗測出來的曲線吻合很好，進一步驗證了用基于氣液兩相流動界面追蹤的復(fù)合Level set-VOF方法來計算撞擊液滴在超疏水表面運動過程的正確性。在2.9 ms左右撞擊液滴鋪展到最大直徑，在隨后的1.5 ms時間內(nèi)，液滴進行內(nèi)部質(zhì)量均勻化運動，其接觸圓直徑呈現(xiàn)出微小的變化。隨后開始迅速發(fā)生收縮過程，液滴直徑迅速減小，直至反彈離開試樣表面，在7.0～11.0 ms之間，液滴收縮反彈速度減小，因而使得液滴與固體表面的接觸圓直徑減小的速率變慢。

圖8 撞擊液滴在超疏水表面運動過程中直徑變化規(guī)律
Fig.8 Variation of diameter of impact droplet onsuperhydrophobic surface

3.3.3 撞擊液滴運動過程中的能量耗散

通過觀察分析低韋伯?dāng)?shù)(We<10)下微小液滴撞擊超疏水表面的運動過程，發(fā)現(xiàn)撞擊液滴主要經(jīng)過鋪展和收縮兩個過程，在鋪展過程中，初始動能為E1的液滴向外鋪展，液滴分子在一定速度的作用下背離水滴中心向外運動，克服液滴內(nèi)部分子間引力做功，使得液滴表面積增加，表面能增大。此外，液滴在超疏水表面鋪展運動的同時，仍然要克服固體表面的黏性做功W1，而且該部分能量耗散對液滴的運動特性起主導(dǎo)作用。相反在收縮過程，增加的表面能絕大部分仍然要轉(zhuǎn)化成動能迫使液滴反彈離開超疏水固體表面，而且液滴也仍然要克服超疏水固體表面做功W2，因此能夠定量地計算、分析撞擊液滴在超疏水固體表面鋪展和收縮運動過程中的能量耗散情況，對研究降低撞擊液滴在超疏水表面的固-液接觸時間以及了解撞擊液滴的運動特性具有一定的實際意義[21-22]。

作為最直接反映液滴在固體表面運動情況的重要參數(shù)，接觸角滯后在分析撞擊液滴運動過程中的能量耗散情況時具有重要的作用，且接觸角滯后Δθ是前進接觸角θA和后退接觸角θR的差值。圖9為固體表面液滴動態(tài)接觸角示意圖。根據(jù)動態(tài)接觸角的定義[23]，有

(11)

(12)

式中：σsg、σsl和σlg分別為固-氣、固-液和液-氣的兩相界面張力；fA和fR為單位長度的三相接觸線的滯后阻力。

然而，撞擊液滴在鋪展運動過程中以前進接觸角θA向外鋪展運動，在收縮過程中液滴以后退接觸角θR向中心收縮并彈離固體表面，如圖10所示。因此，撞擊液滴在鋪展和收縮過程中克服

圖9 固體表面液滴動態(tài)接觸角示意圖
Fig.9 Schematic diagram of droplet dynamic contactangles on solid surface

圖10 撞擊液滴在超疏水固體表面運動示意圖
Fig.10 Schematic diagram of moving of impact droplet on superhydrophobic solid surface

黏滯阻力做功則分別為

(13)

(14)

式中：Dmax為液滴均勻鋪展的最大直徑。

因此，撞擊液滴在超疏水固體表面運動過程中總的克服黏滯阻力做功W為

(15)

而且，液滴最大均勻鋪展直徑Dmax與液滴初始直徑D0之間存在以下關(guān)系[24]：

(16)

則式(15)可轉(zhuǎn)化為

(17)

將本實驗中超疏水初始動態(tài)潤濕參數(shù)代入式(17)，即可獲得撞擊液滴在該超疏水表面運動過程中的能量耗散值(9.76 ×10-9N·m)。

根據(jù)上述計算過程分析，超疏水固體表面的動態(tài)潤濕參數(shù)(接觸角滯后)直接決定了撞擊液滴在固體表面運動過程中克服黏滯阻力做功，進而影響著撞擊液滴在超疏水固體表面的固-液接觸時間。因此，本節(jié)定量地給出了撞擊液滴在超疏水表面運動過程中的能量耗散值，對超疏水表面在防冰領(lǐng)域中的理論與應(yīng)用研究，尤其是在探索降低撞擊液滴的固-液接觸時間方面，具有重要的推動作用。

4 結(jié) 論

1) 基于微觀結(jié)構(gòu)與表面化學(xué)組成對表面超疏水性的協(xié)調(diào)作用，利用噴砂、水熱相結(jié)合的方法在Ti6Al4V表面成功構(gòu)建的微/納米復(fù)合結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的尺寸協(xié)同效應(yīng)，氟化修飾后，可捕獲大量的空氣使液滴以一種復(fù)合接觸形式存在于固體表面，顯示出較高的超疏水性能，液滴表觀接觸角達到了161.4°，且液滴下方的空氣呈流動狀態(tài)，使液滴具有極低的黏滯性，接觸角滯后僅有1.56°。

2) 通過實驗研究與數(shù)值模擬的手段，觀察研究了撞擊液滴在超疏水表面的運動過程，液滴主要經(jīng)歷鋪展和收縮兩個過程，且整個接觸過程僅持續(xù)了11.1 ms，顯示出超疏水表面具有較低的液滴運動黏滯阻力和較高的動態(tài)斥水能力。

3) 作為最直接反映液滴在固體表面運動情況的重要參數(shù)，接觸角滯后在分析撞擊液滴運動過程中的能量耗散情況時具有重要的作用，依據(jù)固體表面液滴接觸角滯后的定義，定量地計算分析了撞擊液滴在超疏水表面運動過程中的黏附耗散能。

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(責(zé)任編輯： 李明敏)

URL：www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20161028.0822.002.html

Energydissipationmechanismofdropletsimpactingsuperhydrophobicsurfaces

LIUSenyun1,SHENYizhou1,2,ZHUChunling1,*,TAOJie2,XIELei3

1.CollegeofAerospaceEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China2.CollegeofMaterialsScienceandTechnology,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China3.InstituteofEnvironmentControllingandLifeSaving,AVICAviationAircraftCo.Ltd.R&DCenter,Hanzhong723213,China

Designingsuperhydrophobicsurfacesontheicinglocationsofaircraftscangreatlyreducethedependenceonthetraditionalhighenergy-consumptionanti/de-icingtechnologies,soastoimprovethefuelefficiencyofaircrafts.Theaimofthepresentworkistoanalyzetheenergydissipationmechanismofdropletsimpactingonthehierarchicalsuperhydrophobicsurfacebasedonexperimentsandnumericalsimulations.Ti6Al4Vasthesubstrateissandblastedtoconstructthemicroscaleroughstructure,andthenisputinthe1mol/LNaOHsolutiontothermallygrowthalayerofnanowires,obtainingthesuperhydrophobicityafterthemodification.Themorphologiesareobservedbyfieldemissionscanningelectronmicroscope(FE-SEM),andthetwomainwettingparameters(apparentcontactangleandcontactanglehysteresis)onsuperhydrophobicityarecharacterizedviaadynamicvideocontactanglemeter.BasedonthepursuantcompositeLevelset-VOFnumericalmethodofgas-liquidphaseinterface,thecontactprocessofadropletimpactingsuperhydrophobicsurfacescanbereproducedwithanumericalcalculation.Experimentally,ahigh-speedcameraisalsousedtorecordthemovingprocessoftheimpactingdropletonthesuperhydrophobicsurfacetoverifythecorrectnessofthenumericalmodel.Discussionoftheenergydissipationduringthemovingprocessofthedropletdemonstratesthattheenergydissipationdependsmainlyonthedynamicwettingpropertiesofthesuperhydrophobicsurfaceandthewettinginterfacialmodel.

superhydrophobicsurfaces;impactdroplet;numericalsimulation;energydissipation;wettinginterfacialmodel

2016-08-26；Revised2016-09-26；Accepted2016-10-26；Publishedonline2016-10-280822

s：NationalBasicResearchProgramofChina(2015CB755800);NationalNaturalScienceFoundationofChina(11372335);NationalPostdoctoralProgramforInnovativeTalents(BX201600073);PriorityAcademicProgramDevelopment(PAPD)ofJiangsuHigherEducationInstitutions

.E-mailclzhu@nuaa.edu.cn

2016-08-26；退修日期2016-09-26；錄用日期2016-10-26； < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間

時間：2016-10-280822

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20161028.0822.002.html

國家“973”計劃 (2015CB755800)； 國家自然科學(xué)基金 (11372335)； 博士后創(chuàng)新人才支持計劃 (BX201600073)； 江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程

.E-mailclzhu@nuaa.edu.cn

劉森云， 沈一洲， 朱春玲， 等. 液滴撞擊超疏水表面的能量耗散機制J. 航空學(xué)報，2017，38(2)：520710.LIUSY,SHENYZ,ZHUCL,etal.EnergydissipationmechanismofdropletsimpactingsuperhydrophobicsurfacesJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2017，38(2)：520710.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2016.0278

V250.1

A

1000-6893(2017)02-520710-09