磁場作用下不同潤濕性表面結(jié)霜實驗研究

宋立超，秦妍，李維仲

（大連理工大學能源與動力學院，遼寧大連116024）

引 言

結(jié)霜現(xiàn)象廣泛存在于自然界和制冷、航空航天等工程領(lǐng)域，霜層的存在會增大換熱器能量損耗、降低飛行器的安全性[1-3]。因此充分研究結(jié)霜機理，探索有效的抑制結(jié)霜方法，可達到提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和降低能耗的目的。

隨著材料科學的迅速發(fā)展，不少學者針對疏水表面展開了抑霜研究。孫玉清等[4]發(fā)現(xiàn)疏水表面結(jié)霜溫度比普通表面低3～5℃；吳曉敏等[5]發(fā)現(xiàn)疏水面上的水珠分布得較為稀疏；Jung 等[6]發(fā)現(xiàn)疏水表面上液滴的結(jié)晶延遲時間更長；He 等[7]研究發(fā)現(xiàn)疏水表面微納結(jié)構(gòu)可引起特殊振蕩，阻止了凝結(jié)液滴三相線移動；Boreyko 等[8]發(fā)現(xiàn)跳滴式疏水表面通過限制液滴間的冰橋形成延緩結(jié)霜；季銀煉等[9]發(fā)現(xiàn)彈跳現(xiàn)象使霜晶覆蓋率下降，結(jié)霜時間得到延遲。疏水表面還表現(xiàn)出優(yōu)異的融霜和自清潔性能[10-11]，但疏水表面的耐久性較差，在惡劣環(huán)境中可能會限制其廣泛使用[12-13]。

經(jīng)過前期研究發(fā)現(xiàn)，表面處理技術(shù)僅對結(jié)霜前期發(fā)揮作用，考慮到水分子的特殊極性，預(yù)測磁場可對其產(chǎn)生持續(xù)影響。Mok等[14]發(fā)現(xiàn)NaCl溶液在磁場作用下呈現(xiàn)出不同的冰晶樣式；鄧波[15]揭示了磁化機理,在磁場作用下水中環(huán)狀氫鍵鏈結(jié)構(gòu)變成一些具有不同磁性的分子電流,導(dǎo)致了水的磁化；蔡然等[16]通過實驗推斷出磁場可改變水分子之間相互作用；和勁松等[17]發(fā)現(xiàn)磁場可以對水分子締合產(chǎn)生影響；朱元保等[18]發(fā)現(xiàn)水的pH 和導(dǎo)電率與磁化的時間有關(guān)也和水中的雜質(zhì)有關(guān)；安燕等[19]發(fā)現(xiàn)磁化水時間越長表面張力越??；勾昱君等[20]發(fā)現(xiàn)在磁性表面上形成的霜層結(jié)構(gòu)更松散；單亮亮[21]發(fā)現(xiàn)在電磁場作用下液滴凍結(jié)形成晶體更小。

本文研究了磁場作用下不同潤濕性表面的結(jié)霜特性，搭建可視化顯微成像實驗臺，獲得了不同接觸角表面在不同磁場強度下結(jié)霜的變化規(guī)律，結(jié)合機理對結(jié)霜形態(tài)、凝結(jié)水珠直徑、霜晶覆蓋率、霜層厚度和密度等特性變化原因進行了分析，并通過改變結(jié)霜工況驗證了外加磁場及表面特性抑霜結(jié)論的完整性。

1 實驗裝置及實驗方法

1.1 實驗裝置

實驗系統(tǒng)由溫濕度控制系統(tǒng)、磁場發(fā)生系統(tǒng)、可視化觀測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖1 所示。溫濕度控制系統(tǒng)由恒溫水槽、加濕器和冷臺組成，恒溫水槽型號為DC4015-Ⅱ，制冷范圍為-40～20℃，測量誤差為±0.5℃，控制精度為0.1℃，為增強換熱效率，冷臺和實驗鋁片間涂有熱導(dǎo)率大于4.5 W/(m·K)的硅脂。磁場發(fā)生系統(tǒng)由永磁鐵和實驗鋁片組成，通過調(diào)整永磁鐵間距提供不同磁場強度?？梢暬到y(tǒng)由CCD 相機、體式顯微鏡和冷光源組成，顯微鏡為OLYMPUS 生產(chǎn)的SZX2-TR30 型，冷光源照明可減少熱量對結(jié)霜過程影響，提高實驗精度。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由熱電偶、數(shù)據(jù)采集器、計算機等組成，K型熱電偶的觸點直徑為0.254 mm，較細的熱電偶絲可以減小對溫度場的破壞，冷面溫度Tw取4 個分布在硅脂不同位置熱電偶的平均值，修正后測量誤差為±0.5℃，空氣RH 測量誤差在±5%，環(huán)境溫度Ta測量誤差在±0.1℃以內(nèi)，實驗過程中保證溫濕度恒定。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

1.2 實驗方法

本研究在自然對流條件下進行，Ta=（26±2）℃，Tw=-10、-30℃，RH=60%、80%。顯微鏡設(shè)置放大56倍率，圖片采集頻率為3 秒1 張,采集時間為120 min。被測樣品尺寸為50 mm×50 mm×1 mm，利用CuCl2溶液刻蝕制備親水表面，再通過氟硅烷（FAS）修飾制備疏水表面，取相同體積的蒸餾水緩慢滴于表面不同位置進行接觸角測量，測得親水、裸鋁和疏水表面的接觸角(CA)分別為48°、76°、133°，測量誤差為±1°。第一組進行結(jié)霜形態(tài)抓拍實驗，對實驗臺標定后監(jiān)測記錄Tw和環(huán)境溫濕度，將顯微鏡調(diào)至俯拍，運行恒溫水槽。將結(jié)霜工況分別設(shè)定在Tw=-10℃和-30℃，RH=60%，當Tw波動小于0.5℃時認為穩(wěn)定，此時將鋁片貼緊至冷臺的硅脂上，立刻開始圖片采集；完成3 種磁場工況下3 種接觸角冷面結(jié)霜形態(tài)實驗后，將顯微鏡調(diào)至側(cè)拍，進行結(jié)霜厚度和密度測量實驗，之后將結(jié)霜工況設(shè)定為Tw=-10℃，RH=80%，重復(fù)以上步驟。每次實驗之前，對鋁片進行清潔烘干處理。

1.3 實驗數(shù)據(jù)處理

結(jié)霜包括水珠生成、聚合長大、水珠凍結(jié)、霜晶形成、霜層生長、霜層充分生長等過程(圖2)。結(jié)霜數(shù)據(jù)由MATLAB 計算，測試選擇合適的閾值對圖像進行二值化處理，如圖2（d）、（e）所示，白色為液滴和霜晶，賦值為“1”，黑色為鋁片，賦值為“0”，圖像中每個像素點賦值相加即為液滴或霜晶面積，覆蓋率定義為液滴或霜晶面積占總拍攝面積之比，即圖片矩陣像素點之和占總像素點個數(shù)的比值，平均液滴直徑可由平均液滴面積計算得到；當霜晶將整個冷面覆蓋并向上生長，視為進入霜層生長期；當霜厚不再增高，進入霜層充分生長期；霜厚二值化處理如圖2（f）,由上到下搜索第一個不為“0”的像素點到矩陣最后一列的距離為霜厚，取平均值得到霜層厚度，厚度測量精度為0.01 mm。當t=120 min，將鋁片取下，用精密天平稱量，稱量總質(zhì)量與樣品質(zhì)量之差即為結(jié)霜質(zhì)量，質(zhì)量測量精度為0.1 mg。由霜厚和鋁片邊長可計算出結(jié)霜體積，結(jié)霜質(zhì)量與體積之比即為結(jié)霜密度,測量精度為10 mg/mm3。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 磁場和表面接觸角對結(jié)霜表面形態(tài)的影響分析

圖3 為Ta=25.5℃、Tw=-10℃、RH=60%（工況1），磁場強度B=0 Gs（1 Gs=10-4T）條件下親水、裸鋁、疏水表面結(jié)霜變化過程。結(jié)霜時間t=90 s 時，親水表面析出少量扁平狀水珠，水珠平均粒徑d=106.0 μm;裸鋁表面析出較規(guī)則的圓缺狀水珠，d=75.0 μm;疏水表面析出小顆粒水珠，d=46.5 μm。實驗觀察到，疏水表面凝結(jié)水珠分布較稀疏，這是因為疏水表面上的弱黏附特性，使液滴頻繁出現(xiàn)彈跳合并現(xiàn)象，導(dǎo)致大面積表面基底裸露出來，而親水和裸鋁表面因為液滴合并概率較低，凍結(jié)的液滴較密集。圖4為無磁工況3 種表面結(jié)霜初期覆蓋率對比，t=150 s時，親水表面首先結(jié)晶，覆蓋率從47.0%快速擴大到92.4%，這是由于親水表面水珠呈鋪展狀態(tài)，液滴與表面接觸面積較大，換熱效果最好，所以最快結(jié)晶并且覆蓋率迅速增大，裸鋁在t=180 s 時開始結(jié)晶，疏水表面結(jié)晶最晚，直至t=390 s 才開始結(jié)晶，這與He[22]的研究成果一致。這是因為疏水表面液滴呈Cassie 狀態(tài)，液滴與表面之間的傳熱強度被疏水表面微納復(fù)合結(jié)構(gòu)中的空氣減弱，液滴得到的冷量減小，導(dǎo)致部分水珠凍結(jié)延遲。t=120 min 時，親水和裸鋁表面霜晶較密集，疏水表面出現(xiàn)明顯的霜枝融化現(xiàn)象，霜層孔隙率最大，說明結(jié)霜初期液滴形態(tài)和分布是影響結(jié)霜充分生長期霜層狀態(tài)的重要因素。

圖2 結(jié)霜圖片二值化示意圖Fig.2 Schematic diagram of frost image binarization

圖3 3種表面結(jié)霜過程(B=0 Gs)Fig.3 Frosting processes of three surfaces（B=0 Gs，Tw=-10℃，RH=60%）

圖4 3種表面覆蓋率對比(B=0 Gs)Fig.4 Coverage comparison of three surfaces（B=0 Gs，Tw=-10℃，RH=60%）

圖5 不同工況3種表面覆蓋率對比(B=0 Gs)Fig.5 Coverage comparison of three surfaces（B=0 Gs）

圖5 為Tw=-30℃、RH=60%（工 況2）和Tw=-10℃、RH=80%（工況3），B=0 Gs 兩個工況下3 個表面覆蓋率對比，對比圖4，隨著Tw的降低和RH 的增大，前期水珠凝結(jié)合并階段大大縮短，霜晶覆蓋率增長速率較快，結(jié)霜進程加快。疏水表面抑霜效果下降明顯，在B=0 Gs，t=210 s 時，工況1 疏水表面覆蓋率比裸鋁和親水表面減少41%、44%，工況2 僅減少16%、28%，工況3 疏水表面覆蓋率要大于親水和裸鋁表面，證明疏水特性受結(jié)霜環(huán)境影響較大，尤其在濕度較大工況，疏水表面抑霜特性基本失效。原因是表面特性主要作用于前期水珠生長階段，降低Tw和增大RH 會導(dǎo)致相變驅(qū)動力變大，水蒸氣越易相變形成活化液核，同一時間內(nèi)液滴被冷面帶走更多熱量，在水珠較小時便被凍結(jié)，較多小液滴在表面微納結(jié)構(gòu)間隙里凍結(jié)，導(dǎo)致疏水性能變差。

圖6 3種表面結(jié)霜過程(B=180 Gs)Fig.6 Frosting processes of three surfaces（B=180 Gs，Tw=-10℃，RH=60%）

圖7 3種表面覆蓋率對比(B=180 Gs)Fig.7 Coverage comparison of three surfaces（B=180 Gs，Tw=-10℃，RH=60%）

圖6 為B=180 Gs 的結(jié)霜過程，加設(shè)磁場后，凝結(jié)的水珠粒徑縮小并且分布更加稀疏，霜枝形狀變得細長且松散，t=120 min 時疏水和親水表面霜層更加稀疏，裸鋁表面也出現(xiàn)了明顯的融霜現(xiàn)象。對比圖7 和圖4，3 種表面液滴維持過冷狀態(tài)時間均延長，霜晶覆蓋率降低，其原因是在液態(tài)水中，氫鍵處于不停斷開結(jié)合的動態(tài)平衡中，在磁場作用下，水分子締合體中偶極子上的正負電荷會受到洛倫茲力的作用，水合離子將會受到方向相反大小不同的力，光譜學證明水分子被磁化后的鍵角由104.5°減小到103.0°,磁場通過扭曲氫鍵的作用促使平衡向氫健斷開方向變化，造成單個水分子的比例增加，使水的性質(zhì)變得活躍[23]，導(dǎo)致冷面上凝結(jié)液滴粒徑更小，分布更加稀疏；經(jīng)計算，在B=180 Gs的磁場作用下，會使液滴增大6.57℃的過冷度，導(dǎo)致水滴凍結(jié)時間延長。工況2 和工況3 在加設(shè)磁場后結(jié)霜速率小幅度下降，對比圖8 和圖5，t=210 s 時，工況2 下B=180 Gs 比B=0 Gs 親水、裸鋁、疏水表面的覆蓋率分別減小17%、9%、11%；工況3 分別減小6%、11%、18%。

圖8 不同工況3種表面覆蓋率對比(B=180 Gs)Fig.8 Coverage comparison of three surfaces（B=180 Gs）

圖9 為B=380 Gs 工況結(jié)霜過程，可見磁場強度增大使水珠粒徑減小，霜層結(jié)構(gòu)更加松散，結(jié)晶滯后時間延長，t=510 s 時，疏水表面液滴仍未凍結(jié)，t=120 min 時3 個表面霜層均發(fā)生明顯的晶枝融化現(xiàn)象，相比無磁工況霜層孔隙率更高。工況1 下3 個表面的覆蓋率均隨著磁場強度的增大而降低，對比圖10 和圖4，t=210 s 時，B=380 Gs 工況下親水、裸鋁、疏水表面的覆蓋率僅為B=0 Gs 時的46%、33%、59%。磁場抑霜效果受結(jié)霜工況影響較大，對比圖11 和圖10，工況2 和工況3 的磁場抑霜效果相比工況1 顯著下降，在B=380 Gs，t=210 s 時，工況1 的親水、裸鋁、疏水表面覆蓋率比工況2 分別減小48%、37%、16%；工況1 比工況3 分別減小70%、68%、46%，原因是水珠凍結(jié)較快，液態(tài)水被磁化時間減小，磁場作用減弱?？梢婋S著Tw降低和RH 增大，磁場和表面特性對結(jié)霜過程的影響減弱，說明外加磁場和疏水表面抑霜特性具有一定的工況局限性。

圖9 3種表面結(jié)霜過程(B=380 Gs)Fig.9 Frosting processes of three surfaces（B=380 Gs，Tw=-10℃，RH=60%）

圖10 3種表面覆蓋率對比(B=380 Gs)Fig.10 Coverage comparison of three surfaces（B=380 Gs，Tw=-10℃，RH=60%）

2.2 磁場和表面接觸角對結(jié)霜厚度的影響分析

圖12 是親水表面在不同工況下霜厚隨磁場強度變化曲線，同一時刻霜厚隨著磁場強度的增大而減小，t=120 min 時，親水表面在工況1，B=380 Gs 霜厚分別是B=180 Gs 和B=0 Gs 的87.2%和78.5%。磁場對霜厚影響隨著Tw降低和RH 增大而減弱，工況2 霜 厚 在B=380 Gs 下 是B=180 Gs 和B=0 Gs 的96.9%和95.6%，工況3 時分別為95.7%和93.2%，可見抑霜效果與工況1 差距較大。在t=100 min 時，裸鋁表面在B=380 Gs 和B=180 Gs 磁場作用下霜層融化，導(dǎo)致霜層厚度下降（圖13）。

圖11 不同工況3種表面覆蓋率對比(B=180 Gs)Fig.11 Coverage comparison of three surfaces（B=380 Gs）

圖12 親水表面在不同磁場不同工況霜層厚度對比Fig.12 Frosting thicknesses of hydrophilic surface with different magnetic field

圖13 裸鋁表面在不同磁場不同工況霜層厚度對比Fig.13 Frosting thicknesses of bare aluminum surface with different magnetic field

相比裸鋁和親水表面，疏水表面在磁場作用下霜厚增長速度最慢，霜層結(jié)構(gòu)最松散，這與Hoke等[24]的研究結(jié)果相似，將圖14 與圖13、圖12 進行對比，在工況1下，B=380 Gs，t=120 min時，疏水表面霜厚比裸鋁表面減小19.3%，比親水表面減小25.6%，原因是液滴在表面上的實際接觸面積隨著接觸角的增大而減小，疏水表面與液滴之間的熱阻較大，傳熱被削弱，導(dǎo)致霜層生長緩慢。當霜晶覆蓋住冷面后，在已有霜層上結(jié)霜所需表面自由能要比在鋁片上小很多[25]，由于接觸角越小結(jié)晶越早，同工況3種表面霜厚差距隨著結(jié)霜時間推移越來越大，說明初始霜晶的滯后會影響整個結(jié)霜過程的霜晶生長速率，體現(xiàn)出初期抑霜的重要性。表面特性對霜厚影響受環(huán)境工況影響較大，t=120 min 時，工況2 疏水表面霜厚僅比裸鋁和親水表面減小1.8% 和3.0%，工況3 疏水表面霜厚比裸鋁和親水表面減小2.7%和14.6%，可見疏水表面和外加磁場抑霜效果相比工況1顯著減弱。

2.3 磁場和表面接觸角對結(jié)霜密度的影響分析

根據(jù)結(jié)霜厚度與用電子天平稱量的結(jié)霜質(zhì)量計算出結(jié)霜密度。如圖15 所示，工況1 在t=120 min疏水表面霜層密度在B=180 Gs 和380 Gs 條件下比B=0 Gs 時分別減少了14.2%和38.1%，可見結(jié)霜密度隨著磁場強度的增大而減小。這是因為水分子締合體在磁場的破壞下有效直徑減小，液滴密度增大，根據(jù)Fatica等[23]的液滴公式：

圖14 疏水表面在不同磁場不同工況霜層厚度對比Fig.14 Frosting thicknesses of hydrophobic surface with different magnetic field

圖15 不同工況3種表面結(jié)霜密度對比Fig.15 Frosting density of three surfaces

式中，β是和接觸角有關(guān)的函數(shù)；R為液滴直徑；ρl是液滴密度。液滴直徑與液滴密度呈反比關(guān)系，所以隨著磁場強度增大，液滴密度變大，冷面凝結(jié)水珠尺寸減小，導(dǎo)致霜層結(jié)構(gòu)疏松。

在B=0 Gs，工況1下，疏水表面的結(jié)霜密度比裸鋁表面減少10.6%，比親水表面減少了16.3%，證明結(jié)霜密度隨著表面接觸角的增大而減小。表面接觸角對結(jié)霜密度的影響可由Cassie 等[26]提出的空氣氣穴模型解釋，根據(jù)相變動力學理論，水蒸氣在冷表面上形成液滴或冰核時必須越過一個熱力學勢壘ΔGC，新相晶核才能自發(fā)生成并繼續(xù)長大，ΔGC的值與接觸角θ 的大小密切相關(guān)，f（θ）為關(guān)于θ 單調(diào)遞增的函數(shù)，其表達式為[27]：

根據(jù)式（3），接觸角對ΔGC的影響因子為f（θ），所以接觸角越大，水珠形成需要克服的能障越大，空氣中水蒸氣成核的概率就越小。本實驗中疏水表面θ=133°，f（θ）=0.930；親水表面θ=48°，f（θ）=0.076，在其他條件相同的情況下，疏水表面生成液核所需克服的能障大約是親水表面的12 倍，因此疏水表面水珠形成更困難，導(dǎo)致霜層密度較小。由于Tw降低和RH 的增大導(dǎo)致液滴凝結(jié)合并時間過短，表面特性和磁場對水珠作用減弱，相比工況1，工況2 和工況3 下磁場和疏水表面幾乎對霜層密度沒有影響。

3 結(jié) 論

本文采用顯微可視化觀測方法，制備了親水和疏水表面，結(jié)合理論分析，討論了在不同工況下不同接觸角表面在磁場作用下的結(jié)霜特性。實驗結(jié)果表明，疏水表面在磁場作用下，可減小凝結(jié)水珠粒徑，使水珠和霜晶分布更加稀疏，疏水表面的霜晶覆蓋率在B=380 Gs 時僅是不加磁場工況下的59%；疏水表面結(jié)合磁場作用可延長初期結(jié)晶時間，進而滯后整個結(jié)霜進程，相比B=0 Gs 工況下的900 s，B=380 Gs 時t=1350 s 才達到結(jié)霜充分生長期；霜層厚度和密度隨著磁場強度和表面接觸角的增大而減小，疏水表面B=380 Gs時的結(jié)霜密度比B=0 Gs時減少了38.1%，疏水表面的成核勢壘大約是親水表面的12倍，驗證了加設(shè)磁場結(jié)合疏水表面具有顯著的抑制結(jié)霜效果。隨著冷面溫度的降低和相對濕度的增大，磁場和表面特性對結(jié)霜過程的影響顯著下降，證明外加磁場和表面特性對結(jié)霜影響具有一定的工況局限性。

符 號 說 明

B——磁場強度，Gs

hfg——表面高度，m

kl——液滴熱導(dǎo)率，W/(m·℃)

P/Psl——過飽和度

R——液滴半徑，m

Rw——水的氣體常數(shù),461.52 J/(kg·K)

ΔT——溫差，℃

t——時間，s

θ——表面接觸角，(°)

ρl——液滴密度，kg/m3

σvl——氣液張力，N/m