超疏水表面液滴的冷凝成长特性研究
利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基底采用光刻技术制备了微方柱状超疏水表面，分析了冷凝条件下超疏水表面液滴的冷凝生长特征，发现液滴的生长过程可分为微液滴成核冷凝独立生长、冷凝微液滴合并生长以及大液滴生长3个阶段。超疏水表面初始合并的液滴呈Wenzel-Cassie状态和Wenzel状态，随着冷凝液滴的成长，液滴的液-固接触面积与粗糙结构表面的表观面积之比f随着冷凝液滴尺寸的增大而增大，Wenzel-Cassie状态向完全Wenzel状态转变。最后分析了超疏水性破坏的原因。
1、前言
近些年来，随着纳米技术的发展，纳米超疏水材料制备的日臻成熟，将纳米超疏水材料应用到冷凝器的研制中，实现空调蒸发器内部盘管表面由膜状凝结转变为微滴状凝结是目前采用的重要方法。因此，如何在换热表面实现恒定的微滴状凝结是国内外研究者一个多世纪以来的目标。为此，国内外研究者就超疏水表面的制备、微观传热机理以及传热特性等方面进行了大量卓有成效的工作。Narhe等制备了沟槽状微结构表面，研究了冷凝条件下液滴的动态成长特征;Cheng等对荷叶表面冷凝液滴的浸润特性进行了观察，发现水蒸气凝结条件下荷叶表面不再具有超疏水性;Kevin以及He等则对低温下超疏水表面的静态表观接触角进行了研究。然而，目前的滴状冷凝研究中，冷凝液滴是重力作用下的自然脱落，形成的较大液滴由于热阻较大，使得冷凝传热系数不能得到较大提高。试验表明，超疏水表面上液滴并不能迅速脱落，即超疏水表面失效了。为探究其失效的原因，国内外研究者从超疏水表面液滴微观浸润状态入手进行了深入研究。
研究表明，粗糙表面液滴主要存在3种典型的浸润状态:Wenzel状态、Cassie状态以及Wenzel-Cassie状态，如图1(a)、(b)、(c)所示。
图1 粗糙表面水滴浸润状态
液滴所处状态不同，导致其运动性质也存在巨大差异。Wenzel状态液滴由于浸入了粗糙表面微结构内，因此“粘”性极强，不易从粗糙表面脱落，存在很大的接触角滞后。其表观接触角θr可由Wenzel方程描述如下:
cosθr=rcosθ(1)
式中r———粗糙度;θ———本征接触角
而Cassie状态液滴则悬停在粗糙表面，粘性微弱，因此能够轻易滚落，即很小的接触角滞后。其表观接触角θr
可由Cassie方程描述如下:
cosθr=fcosθ+f-1(2)
式中f———液滴的液—固接触面积与粗糙结构表面的表观面积之比方程(1)和(2)可以合并成一个更加通用的方程:
cosθr=rfcosθ+f-1(3)
方程(3)适用于Wenzel和Cassie状态，也适用于Wenzel-Cassie状态。
本文根据液滴在粗糙表面呈现Cassie状态的热动力稳定标准，设计加工了一种几何上能够保证超疏水特性的微方柱结构表面，通过对蒸汽冷凝过程的显微观测以及在常规条件和冷凝条件下液滴接触角的测量，对超疏水表面在冷凝条件下液滴的生长过程机理以及液滴的浸润状态进行了分析，并对超疏水特性的破坏机理进行了解释。
4、结语
本文研究了超疏水表面冷凝液滴的生长过程，发现液滴冷凝生长可分为3个阶段:微微液滴独立生长;微液滴合并生长;大液滴生长。同时测量了液滴在常规条件以及冷凝条件时的静态接触角，通过分析结果得出，液滴在第二阶段的合并机制是造成超疏水表面形成不同浸润状态液滴的要原因。此外，冷凝条件下，超疏水表面初始合并的液滴呈Wenzel-Cassie状态和Wenzel状态，随着冷凝液滴的成长，液滴的液-固接触面积与粗糙结构表面的表观面积比f随着冷凝液滴尺寸的增大而增大，Wenzel-Cassie状态液滴向完全Wenzel状态转变。这是造成超疏水表面疏水性消失的主要原因。
