液滴撞擊超疏水冷表面的反彈/黏附特性對(duì)比研究*

姚一娜，劉 呈，李 聰，楊 銳

(1.中國(guó)電子科學(xué)研究院，北京 100041；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083；3.清華大學(xué) 工程物理系,北京 100084)

0 引言

表面溫度影響液滴撞擊固體表面動(dòng)力學(xué)過(guò)程。當(dāng)表面溫度足夠低，液滴凍結(jié)沉積，給輸電線(xiàn)路、巡航飛機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅[1-3]。因此,深入研究液滴撞擊固體冷表面意義重大。

針對(duì)液滴撞擊固體表面影響因素研究主要包括表面結(jié)構(gòu)和表面溫度[4-10]：Mishchenko等[11]開(kāi)展液滴撞擊超疏水傾斜冷表面實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，液滴出現(xiàn)反彈現(xiàn)象；Bahadur等[12]發(fā)現(xiàn)固體表面結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)及熱力學(xué)性質(zhì)會(huì)影響冰珠形成過(guò)程；Jung等[13]發(fā)現(xiàn)固體表面粗糙度對(duì)液滴結(jié)冰過(guò)程影響顯著；Remer等[14]研究不同工況下液滴撞擊不同潤(rùn)濕性表面結(jié)冰行為發(fā)現(xiàn)，高濕度和低溫條件下，液滴在超疏水表面依然不結(jié)冰。

開(kāi)展液滴撞擊超疏水冷表面可視化觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，觀察液滴撞擊出現(xiàn)反彈與黏附2種響應(yīng)方式，分析表面溫度對(duì)撞擊動(dòng)力學(xué)過(guò)程影響，為表面結(jié)冰界面現(xiàn)象與防冰/除冰機(jī)理研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1)超疏水表面制備與表征

本文采用CuO超疏水表面，以銅片為基底，通過(guò)氧化法構(gòu)建CuO納米結(jié)構(gòu)，經(jīng)氟化修飾處理CuO超疏水表面[15-16]。具體加工工藝包括銅片預(yù)處理、化學(xué)氧化、疏水化處理，超疏水表面SEM結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用接觸角測(cè)量?jī)xDSA25測(cè)量超疏水表面靜態(tài)接觸角169°、前進(jìn)接觸角171°、后退接觸角167°，說(shuō)明該表面具有良好超疏水性。

圖1 CuO納米結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖(SEM)Fig.1 SEM of CuO nanostructures

2)實(shí)驗(yàn)裝置與方法

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。滴液系統(tǒng)采用KRUSS DSA25接觸角測(cè)量?jī)x，高速攝像系統(tǒng)釆用PCO-12000 hs高速攝像儀，幀率4 000 幀/s，分辨率1 280×1 024。制冷系統(tǒng)采用KRUSS-TC40溫控箱，內(nèi)徑110 mm×105 mm×65 mm。為避免固體表面水蒸氣冷凝現(xiàn)象，在溫控箱降溫前通入高純N2，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后停止通入N2。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Schematic diagram of experimental device

分析撞擊前液滴圖像，得到液滴等效直徑D0為2.45 mm±0.01 mm。通過(guò)計(jì)算液滴碰撞在固體表面時(shí)刻位移，得到液滴從100 mm高度下落時(shí)碰撞速度U0為1.39 m/s±0.01 m/s。實(shí)驗(yàn)采用去離子水，環(huán)境溫度保持25 ℃，環(huán)境濕度25.0%±1.0%。CuO超疏水表面溫度Tw分別為25，-10，-15，-20，-25，-30，-35，-40 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 液滴撞擊超疏水冷表面的反彈與黏附響應(yīng)方式

-10℃超疏水冷表面液滴撞擊運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖3所示。液滴等效直徑2.45 mm，碰撞速度1.39 m/s。液滴撞擊超疏水冷表面的反彈與黏附響應(yīng)方式指：液滴撞擊表面后，在慣性力作用下以碰撞點(diǎn)為中心向四周鋪展，且液滴鋪展直徑逐漸增大；液滴開(kāi)始向中心回縮，呈下寬上窄形狀；在12.63 ms時(shí)，液滴成功克服界面黏附力，徹底反彈脫離冷表面，離開(kāi)冷表面的液滴繼續(xù)上升，在空中分成2個(gè)小液滴，最終液滴靜止在冷表面上。由圖3可知，-10 ℃超疏水冷表面液滴撞擊全過(guò)程未發(fā)生凍結(jié)，表明液滴在冰核形成之前就反彈脫離表面；此外，液滴在脫離表面瞬間沒(méi)有出現(xiàn)拖曳現(xiàn)象，說(shuō)明表面溫度為-10 ℃時(shí)，該表面具備良好非黏超疏水性能。

圖3 -10 ℃超疏水冷表面液滴撞擊過(guò)程Fig.3 Rebound behavior of droplet impacting superhydrophobic cold surface with -10 ℃

-30℃超疏水冷表面液滴撞擊運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖4所示。與-10 ℃超疏水冷表面不同，液滴回縮后僅有部分液滴彈起，并最終在冷表面凍結(jié)。液滴達(dá)到最大鋪展?fàn)顟B(tài)時(shí)，最大鋪展直徑約6.33 mm，與圖3基本一致，說(shuō)明超疏水冷表面溫度對(duì)液滴撞擊后鋪展階段基本沒(méi)有影響。在液滴回縮過(guò)程中，鋪展直徑不再發(fā)生變化，因?yàn)橐旱闻c冷表面接觸部分發(fā)生凍結(jié)并黏連在表面上；此時(shí)，液滴上部未凍結(jié)部分仍處于非平衡狀態(tài)，在表面張力作用下具有上升趨勢(shì)，并最終在慣性力作用下克服表面張力，脫離主液滴，形成衛(wèi)星液滴；而主液滴在冷表面上持續(xù)振蕩，最終達(dá)到穩(wěn)定潤(rùn)濕狀態(tài)。綜上，在-30 ℃超疏水冷表面，液滴還沒(méi)有完全脫離表面時(shí)就形成結(jié)冰冰核，導(dǎo)致液滴底部黏連在冷表面上。

圖4 -30 ℃超疏水冷表面液滴撞擊過(guò)程Fig.4 Adhesion phenomenon of droplet impacting superhydrophobic cold surface with -30 ℃

由圖3～4可知，隨超疏水冷表面溫度降低，液滴碰撞過(guò)程中冰核形成速度加快。當(dāng)冰核形成時(shí)間早于液滴反彈脫離表面時(shí)間，液滴底部發(fā)生相變結(jié)冰，黏附在冷表面上。

2.2 液滴撞擊不同溫度超疏水冷表面動(dòng)力學(xué)行為

對(duì)所有工況實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，液滴撞擊超疏水表面出現(xiàn)反彈與黏附2種響應(yīng)行為，如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)表面溫度處于-20 ℃～25 ℃之間，液滴撞擊超疏水冷表面后完全反彈脫離表面，原因是：1)液滴在超疏水冷表面上異相成核能壘較高，可有效抑制冰核形成。2)由于超疏水表面具有極強(qiáng)憎水性，液滴運(yùn)動(dòng)過(guò)程中動(dòng)態(tài)接觸角較大，可加速脫離表面。上述2個(gè)原因使液滴撞擊超疏水冷表面后，能夠克服冷表面與液滴之間黏附力反彈脫離表面，并且整個(gè)過(guò)程中不發(fā)生凍結(jié)。

圖5 液滴撞擊不同溫度超疏水表面的反彈與黏附響應(yīng)方式Fig.5 Rebound and adhesion response modes of droplet impacting superhydrophobic cold surfaces with different temperatures

當(dāng)表面溫度處于-40 ℃～-25 ℃，液滴最終均會(huì)凍結(jié)黏附在固體表面，因?yàn)橐旱闻c冷表面接觸一定時(shí)間，固-液界面處形成冰核，觸發(fā)液滴結(jié)冰現(xiàn)象。當(dāng)表面溫度由-25 ℃降至-40 ℃，主液滴頂部能達(dá)到最大高度呈逐漸減小趨勢(shì)，依次為14.9，8.6，5.5，3.1 mm，隨表面溫度降低，液滴在冷表面結(jié)冰速率加快，使液滴未凍結(jié)部分剩余動(dòng)能急劇減小，導(dǎo)致主液滴回縮最大高度減小。

綜上，各實(shí)驗(yàn)工況液滴撞擊超疏水冷表面發(fā)生反彈的臨界表面溫度介于-25 ℃～-20 ℃之間，若更換表面材料結(jié)構(gòu)種類(lèi)，該臨界溫度范圍可能發(fā)生變化。2種響應(yīng)方式主要取決于液滴與冷表面接觸時(shí)間和冰核形成延遲時(shí)間相對(duì)快慢。

2.3 表面溫度對(duì)接觸時(shí)間與反彈高度影響

超疏水表面在不同溫度條件下液滴鋪展直徑變化如圖6所示。液滴撞擊表面后迅速鋪展，在2 ms～3 ms內(nèi)達(dá)到最大鋪展直徑，并且無(wú)量綱最大鋪展直徑數(shù)值與超疏水表面溫度基本無(wú)關(guān)，均穩(wěn)定在2.5 mm左右，鋪展時(shí)間基本一致，表明超疏水表面溫度對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)基本沒(méi)有影響。

圖6 超疏水表面在不同溫度條件下液滴鋪展直徑變化Fig.6 Change of spreading diameters of droplet impacting superhydrophobic cold surfaces with different temperatures

在液滴發(fā)生反彈響應(yīng)行為的4種工況(25，-10，-15,-20 ℃)中，液滴鋪展直徑達(dá)到最大值后逐漸減小至0，說(shuō)明液滴已完全反彈脫離表面。隨表面溫度降低，液滴與表面接觸時(shí)間延長(zhǎng)。

在液滴發(fā)生黏附響應(yīng)行為的4種工況(-25，-30，-35，-40 ℃)中，液滴鋪展直徑達(dá)到最大值后逐漸減小直至趨于穩(wěn)定。冷表面溫度越低，液滴回縮程度越小，穩(wěn)定鋪展直徑越大。其中，-40 ℃超疏水冷表面液滴鋪展結(jié)束后，基本沒(méi)有回縮行為，這是由于表面溫度過(guò)低，液滴在鋪展瞬時(shí)即與表面發(fā)生成核結(jié)冰，無(wú)法回縮。

定義液滴反彈脫離表面后其底端距表面距離為反彈高度。液滴撞擊不同溫度(25，-10，-15，-20 ℃)超疏水表面反彈高度如圖7所示。由圖7可知，隨表面溫度降低，液滴最大反彈高度顯著降低，并且從反彈瞬間(t=0 ms)到再次回到表面時(shí)間間隔縮短。隨表面溫度降低，液滴與冷表面接觸時(shí)間增加，溫度持續(xù)降低，液滴內(nèi)部及界面黏性耗散更大，導(dǎo)致液滴反彈時(shí)初始動(dòng)能更小，即最大反彈高度更小。

圖7 液滴撞擊不同溫度超疏水表面反彈高度Fig.7 Rebound heights of droplet impacting superhydrophobic cold surfaces with different temperatures

由圖7可知，液滴反彈高度發(fā)生不規(guī)則波動(dòng)，原因是液滴在空中以自身蠕動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)，即液滴在空中形態(tài)不斷發(fā)生變化，而本文定義的反彈高度是液滴底端距表面距離，所以圖中反彈高度發(fā)生不規(guī)則波動(dòng)是合理的。

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究液滴撞擊超疏水冷表面動(dòng)力學(xué)特性，系統(tǒng)分析表面溫度對(duì)液滴反彈與黏附2種響應(yīng)方式的影響。研究結(jié)果可為預(yù)防低溫環(huán)境雨水凍結(jié)沉積災(zāi)害提供理論依據(jù)，具有重要意義。

3 結(jié)論

1)液滴撞擊超疏水冷表面發(fā)生反彈與黏附2種響應(yīng)行為；對(duì)于CuO超疏水表面，當(dāng)表面溫度大于-20 ℃時(shí)，液滴撞擊后反彈脫離表面；當(dāng)表面溫度小于-25 ℃時(shí)，液滴黏附在表面，表明決定液滴響應(yīng)方式的臨界表面溫度介于-25 ℃～-20 ℃之間。

2)在液滴發(fā)生反彈響應(yīng)行為的4種工況中，無(wú)量綱最大鋪展直徑與表面溫度基本無(wú)關(guān)，鋪展時(shí)間基本一致；隨表面溫度降低，液滴與表面接觸時(shí)間增加，液滴最大反彈高度減小。

3)在液滴發(fā)生黏附響應(yīng)行為的4種工況中，隨表面溫度降低，液滴回縮程度減小，穩(wěn)定鋪展直徑增大；冷表面溫度對(duì)最大鋪展直徑和鋪展時(shí)間均無(wú)影響。