一种强化滴状冷凝的三维图案化表面
技术领域：
本发明属于冷凝和传热传质技术领域，具体涉及一种强化滴状冷凝的三维图案化表面。
背景技术：
冷凝是自然界中的普遍现象，在工业生产和生活中扮演着重要角色。在微电子[Nature Reviews Materials,2017,2(2):16092]、能源[National Science Review,2018,5(6):878–887]、以及航空航天等产业应用广泛。冷凝分为膜状冷凝和滴状冷凝。其中，滴状冷凝传热效率是膜状冷凝的数倍[Journal of Power and Energy,2002,21:115-128]，且滴状冷凝液脱离尺寸越小，其冷凝传热效率越高[Applied Thermal Engineering,2016,98:1054-1060]，但在滴状冷凝过程中，随冷凝时间增加，未脱离的冷凝液不断桥接而覆盖表面，最终使滴状冷凝转变为膜状冷凝—滴状冷凝失效[International Journal of Heatand Mass Transfer,2019,128:185-198]。因此，强化滴状冷凝过程的首要目标是减小滴状冷凝液脱离尺寸和提升滴状冷凝长效性。这两个目标主要由三个过程实现：(1)减小滴状冷凝液脱离至膜状区的尺寸；(2)促进脱离至膜状区冷凝液的汇聚；(3)减小膜状区冷凝液的最终脱离阻力。目前国内外研究学者主要采用仿沙漠甲虫背部结构的非均匀润湿性图案化表面来优化上述三个过程[Nature,2001,414:33-34；ACS Nano,2015,9:71-81]。例如，Zhang等人通过在超疏水基底上进行多巴胺打印和聚合加工出具有方形亲水图案阵列的非均匀润湿性图案化表面，超疏水基底上的滴状冷凝液被不断抽吸至亲水图案区，这种冷凝液的抽吸行为可减小滴状冷凝液脱离至膜状区的尺寸，加快滴状区冷凝液更新[Journalof Materials Chemistry A.2015,3:2844-2852]。彭本利等人利用亲水/疏水条纹相间图案化表面来减小滴状区冷凝液脱离尺寸，降低膜状区冷凝液的脱离阻力[InternationalJournal of Heat and Mass Transfer.2015,83:27-38]。Ghosh和Hou等人为提升滴状区长效性，采用楔形亲水图案来强化膜状区冷凝液汇聚能力[Advanced MaterialsInterfaces,2020,7:1901683；Langmuir.2014,30:13103-13115]。但目前采用的非均匀润湿性图案化表面均为二维结构，在表面滴状区和膜状区比例一定的前提下，难以通过图案设计进一步缩小滴状区冷凝液脱离尺寸，且在减小滴状区冷凝液脱离尺寸的同时，如何通过提高膜状区冷凝液的汇聚速度并减小汇聚后冷凝液最终脱离阻力，来提升滴状冷凝长效性也是亟待解决的关键问题。基于此，本发明提出的一种强化滴状冷凝的三维图案化表面，统筹优化了强化滴状冷凝的三个过程，在高效集水、冷凝传热和新型高性能热管制造等方面具有极大的潜在应用价值。
发明内容：
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种强化滴状冷凝的三维图案化表面。
本发明采用以下技术方案：
一种强化滴状冷凝的三维图案化表面，包括超疏水基底和设置在超疏水基底上的上凸状超亲水三维图案，所述上凸状超亲水三维图案包括若干个上凸状超亲水三维结构和液滴汇集区，各个上凸状超亲水三维结构独立形成阵列或若干个上凸状超亲水三维结构端部相连形成团簇阵列；蒸汽在超疏水基底表面形成冷凝液滴，冷凝液滴逐渐变大直至接触上凸状超亲水三维结构的侧壁，在毛细力的作用下被吸入上凸状超亲水三维结构表面，汇聚到液滴汇集区并脱离。
进一步的，所述上凸状超亲水三维结构在超疏水基底上的垂直高度为10～5000μm。
进一步的，所述上凸状超亲水三维结构独立形成阵列或若干个上凸状超亲水三维结构端部相连形成团簇阵列，形成团簇阵列时，每个团簇中相邻上凸状超亲水三维结构之间的夹角为1～180°。
进一步的，所述上凸状超亲水三维结构的平行表面截面的形状为楔形，楔形张角为0.1～10°。
进一步的，所述上凸状超亲水三维结构的垂直表面截面形状包括但不限于矩形和倒锥形。
进一步的，所述上凸状超亲水三维结构的垂直表面截面形状为矩形，高宽比为0.1～50。
进一步的，所述上凸状超亲水三维结构的垂直表面截面形状为倒锥形，倒锥形张角为0.1～150°。
本发明的有益效果：
(1)本发明提出在超疏水基底上设计上凸状超亲水三维图案，可约束超疏水基底滴状冷凝液横向生长空间，在不改变滴状区占比的前提下，显著减小超疏水基底(滴状区)冷凝液脱离至上凸状超亲水三维图案(膜状区)的尺寸，提高滴状区冷凝液更新频率，进而提升冷凝效率；
(2)本发明提出的上凸状超亲水三维结构垂直表面截面形状为倒锥形时，可以进一步减小冷凝过程中滴状冷凝液脱离至膜状区的尺寸，其中倒锥形的张角越大，滴状冷凝液脱离尺寸越小；
(3)本发明采用的上凸状超亲水三维结构平行表面的截面形状为楔形，楔形张角范围在0.1～10°，此设计可产生拉普拉斯压力梯度，驱动膜状区冷凝液快速汇聚；
(4)本发明多个上凸状超亲水三维结构独立形成阵列或若干个上凸状超亲水三维结构端部相连形成团簇阵列，可增加膜状区边界周长，提升滴状区冷凝液向膜状区的转移效率，并在相同滴膜冷凝占比前提下，减小表面整体脱离阻力，促进表面冷凝液最终脱离；本发明设计合理，结构简单，实用性强，在高效集水、冷凝传热和制造新型高性能热管等方面具有重要的应用价值。
附图说明：
图1是本发明强化滴状冷凝的三维图案化表面的结构示意图；
图2是本发明强化滴状冷凝的三维图案化表面中液滴由滴状区向膜状区脱离原理图；
图3是本发明上凸状超亲水三维结构示意图；
图4是本发明上凸状超亲水三维结构垂直表面的高度对滴状区冷凝液脱离至膜状区尺寸的影响规律示意图；
图5是本发明上凸状超亲水三维结构在垂直表面的截面形状为倒锥形时，倒锥角对滴状区冷凝液脱离至膜状区尺寸影响规律示意图；
图6是本发明上凸状超亲水三维结构在平行表面的截面形状为楔形时，楔形张角对液滴汇聚驱动力的影响规律示意图；
图7是本发明多个上凸状超亲水三维结构在平行表面的截面形状为团簇状组合时，汇聚后冷凝液脱离阻力示意图；
图8是本发明增加上凸状超亲水三维结构的尺寸对冷凝液滴表面的冷凝速度影响规律示意图；
附图中的标记为：1、超疏水基底；2、上凸状超亲水三维图案；3、上凸状超亲水三维结构；4、液滴汇集区；5、垂直表面截面；6、平行表面截面；7、超疏水基底上滴状冷凝液；8、超疏水基底上与上凸状超亲水三维结构侧壁接触的滴状冷凝液；9、在上凸状超亲水三维图案内输运的冷凝液；10、汇聚在液滴汇集区的冷凝液；11、正在被上凸状超亲水三维结构侧壁吸走的滴状冷凝液；12、未凝结的水蒸气；13、上凸状超亲水三维结构表面的膜状冷凝区。
具体实施方式：
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参照图1-3，本发明实施例提供一种强化滴状冷凝的三维图案化表面，包括超疏水基底1和设置在超疏水基底1上的上凸状超亲水三维图案2，所述上凸状超亲水三维图案2包括7个上凸状超亲水三维结构3和液滴汇集区4，各个上凸状超亲水三维结构3依次相连，液滴汇集区4位于上凸状超亲水三维结构3下方；所述上凸状超亲水三维结构3与超疏水基底1的垂直距离为500μm，减小滴状区冷凝液脱离至膜状区尺寸，提升冷凝效率；所述上凸状超亲水三维结构3依次相连，7个上凸状超亲水三维结构3形成团簇组合，可在不改变滴状区占比的前提下，减小表面冷凝液整体脱离阻力，促进表面冷凝液的最终脱离，相邻上凸状超亲水三维结构3之间的夹角为20°；所述上凸状超亲水三维结构3的平行表面截面6的形状为楔形，楔形张角为5°，由滴状区脱离至此的冷凝液在拉普拉斯压力梯度作用下可迅速汇聚至楔形端部；所述上凸状超亲水三维结构3的垂直表面截面5形状为倒锥形，倒锥形张角为30°，可以进一步减小冷凝过程中滴状冷凝液脱离至膜状区的尺寸。
实施例2
本发明实施例提供一种强化滴状冷凝的三维图案化表面，包括超疏水基底1和设置在超疏水基底1上的上凸状超亲水三维图案2，所述上凸状超亲水三维图案2包括9个上凸状超亲水三维结构3和液滴汇集区4，各个上凸状超亲水三维结构3依次相连形成团簇组合，液滴汇集区4位于团簇组合下方；所述上凸状超亲水三维结构3与超疏水基底1的垂直距离为800μm；所述上凸状超亲水三维结构3依次相连，9个上凸状超亲水三维结构3形成3个团簇组合，相邻上凸状超亲水三维结构3之间的夹角为15°；所述上凸状超亲水三维结构3的平行表面截面6的形状为楔形，楔形张角为7°；所述上凸状超亲水三维结构3的垂直表面截面5形状为矩形，高宽比为10。
实施例3
本发明实施例提供一种强化滴状冷凝的三维图案化表面，包括超疏水基底1和设置在超疏水基底1上的上凸状超亲水三维图案2，所述上凸状超亲水三维图案2包括9个上凸状超亲水三维结构3和液滴汇集区4，各个上凸状超亲水三维结构3依次相连，液滴汇集区4位于上凸状超亲水三维结构3下方；所述上凸状超亲水三维结构3与超疏水基底1的垂直距离为1000μm；所述上凸状超亲水三维结构3依次相连，多个上凸状超亲水三维结构3形成团簇组合，相邻上凸状超亲水三维结构3之间的夹角为30°；所述上凸状超亲水三维结构3的平行表面截面6的形状为楔形，楔形张角为10°；所述上凸状超亲水三维结构3的垂直表面截面5形状为倒锥形，倒锥形张角为40°。
实施例4
本发明实施例提供一种强化滴状冷凝的三维图案化表面，包括超疏水基底1和设置在超疏水基底1上的上凸状超亲水三维图案2，所述上凸状超亲水三维图案2包括若干个上凸状超亲水三维结构3和液滴汇集区4，液滴汇集区4位于上凸状超亲水三维结构3下方；所述上凸状超亲水三维结构形成阵列分布；所述上凸状超亲水三维结构3与超疏水基底1的垂直距离2000μm，放大上凸状超亲水三维结构3的尺寸，以增大汇聚在液滴汇集区的冷凝液10的尺寸，从而减小汇聚在液滴汇集区的冷凝液10表面的饱和蒸气压，提升冷凝效率；所述上凸状超亲水三维结构3的平行表面截面6的形状为楔形，楔形张角为4°；所述亲水三维结构3的垂直表面截面5形状为倒锥形，倒锥形张角为60°。
本发明的应用过程：蒸汽在超疏水基底1上形成冷凝液滴，冷凝液滴逐渐变大直至接触上凸状超亲水三维结构3的侧壁，在毛细力的作用下被吸入上凸状超亲水三维结构3表面，实现滴状区向膜状区脱离，最终汇聚到液滴汇集区4并脱离。
本发明的设计原理：本发明提出的上凸状超亲水三维图案同时优化了影响冷凝效率的四要素：(1)约束滴状冷凝液横向生长空间从而大幅减小滴状冷凝液脱离至膜状区的尺寸；(2)上凸状超亲水三维结构平行表面的截面形状为楔形的设计可促进脱离至膜状区冷凝液的传输和汇聚；(3)多个上凸状超亲水三维结构独立形成阵列或若干上凸状超亲水三维结构端部相连形成团簇阵列可增加膜状区边界周长，提升膜状区冷凝液向滴状区的脱离效率，减小表面冷凝液整体脱离阻力；(4)增大上凸状超亲水三维结构的尺寸可减小汇聚后液滴曲率，进而减小汇聚在液滴汇集区的冷凝液表面的饱和蒸气压。以下根据上述四个方面对本发明设计原理进行进一步阐述：
一、约束滴状冷凝液横向生长空间从而大幅减小滴状冷凝液脱离至膜状区的尺寸
参照图4，在超疏水基底(滴状区)设计上凸状超亲水三维图案(膜状区)，增加上凸状超亲水三维图案的垂直表面高度来约束滴状区冷凝液横向生长空间，减小滴状区冷凝液脱离至膜状区的尺寸，具体原理如下：
设计三种不同高度的上凸状超亲水三维图案，其高度分别为H0、H1、H2，其中H0＝0，H2＞H1＞0。当H0＝0时，超亲水三维图案顶部与超疏水基底平齐，蒸汽冷凝过程中，超疏水基底上的滴状冷凝液成核并长大，仅当液滴底部固-液-气三相线扩展至超亲水三维图案边界时，滴状冷凝液才会被超亲水三维图案吸走，从而脱离至膜状区，此时对应的滴状冷凝液脱离半径为R0，此时的冷凝液脱离尺寸较大；当增加上凸状超亲水三维图案垂直表面高度至50μm，此时高度为H1＝50μm(H1＞0)，在冷凝过程中，超疏水基底上的滴状冷凝液逐渐长大，此时液滴侧边气-液界面会先于液滴底部固-液-气三相线接触到上凸状超亲水三维图案，继而冷凝液体提前被超亲水三维图案吸走、脱离至膜状区，此时对应的滴状冷凝液脱离半径为R1，显然，R1＜R0，此时的液滴脱离尺寸较小；继续增加上凸状超亲水三维图案表面高度H2至1000μm，(H2＝1000μm＞H1＞0)，可见滴状冷凝液脱离至膜状区的尺寸进一步减小，即R2＜R1＜R0。因此，增加上凸状超亲水三维图案垂直表面高度，可显著减小滴状区冷凝液脱离至膜状区的尺寸。
在超疏水基底表面设计垂直表面截面为倒锥形状的上凸状超亲水三维图案，进一步减小蒸汽在滴状冷凝过程中液滴的脱离尺寸，具体原理如下：
参照图5，当上凸状超亲水三维图案垂直表面的截面形状为矩形时，一旦液滴的侧端接触到上凸状超亲水三维图案侧壁，继续增加上凸状超亲水三维图案高度，无法进一步减少滴状冷凝液脱离尺寸(锥角θ0为0°)；若将截面形状设计为倒锥形，且锥角θ1为20°，由图4可知，超疏水基底上的液滴可在更小的尺寸时接触到亲水三维结构，从而进一步减小滴状区冷凝液脱离至膜状区的尺寸；继续增大倒锥形状的张角θ2为60°，由图5可知，滴状冷凝液脱离至膜状区的尺寸被再次缩小。因此，采用截面为倒锥形的上凸状超亲水三维图案时，增加倒锥形的张角，减小了滴状区冷凝液脱离至膜状区的尺寸。
二、上凸状超亲水三维结构平行表面的截面形状为楔形的设计可促进脱离至膜状区冷凝液的传输和汇聚，具体原理如下：
参照图6，当上凸状超亲水三维结构平行表面的截面形状为平行线条纹时，滴状冷凝液脱离至超亲水三维图案后，上下两端的拉普拉斯压力差相等，即P1-P2＝0，液滴只能在毛细力和重力的作用下向超亲水三维图案端部扩散；将上凸状超亲水三维结构平行表面的截面形状设计为楔形时，其楔形张角为α(α＝2°)，液滴进入超亲水三维图案后，在上下两端的拉普拉斯压力差(Pα1-Pα2>0)的作用下被驱动，向亲水三维结构的端部移动；增加楔形张角的角度，使其角度为β(β＝4°，β>α>0°)，液滴进入亲水三维结构后，上下两端的拉普拉斯压力差增大(Pβ1-Pβ2>Pα1-Pα2>0)，驱动液滴向亲水三维结构的端部汇聚的压力差更大。因此，上凸状超亲水三维结构平行表面的截面形状为楔形的设计可促进脱离至膜状区冷凝液的传输和汇聚，增加楔形张角角度，可提高液滴在亲水图案中的输运速度。
三、多个上凸状超亲水三维结构依次相连形成团簇楔形组合，可降低液滴在超亲水三维图案中汇聚后的脱离阻力，具体原理如下：
参照图7，在蒸汽冷凝过程中，当超疏水基底上(滴状区)的滴状冷凝液侧端气-液界面接触到亲水三维结构侧壁时，在毛细力作用下会被吸入到上凸状团簇楔形超亲水三维图案中(膜状区)，然后在楔形结构所产生的拉普拉斯压力差下向团簇楔形超亲水三维图案的端部汇聚，流向液滴汇集区。在团簇楔形超亲水三维图案的高度与单个楔形张角不变的情况下，单位时间内滴状区冷凝液脱离至膜状区的量与图案周长正相关，然而超亲水三维图案上液滴在端部的黏附力与端部的宽度正相关，端部的宽度不变则液滴在端部的黏附力不变。因此，如果用C1、C2···CN分别代表由1个、2个、3个···N个楔形组成的上凸状团簇楔形超亲水三维图案的周长，并用F1、F2、F3···FN分别代表液滴脱离表面的最大粘附力，则
四、增大上凸状超亲水三维结构的尺寸可减小汇聚后液滴的曲率，以减小汇聚在液滴汇集区的冷凝液表面的饱和蒸气压。具体原理如下：
参照图8，在蒸汽冷凝过程中，上凸状超亲水三维图案不仅通过抽吸疏水区的液滴的方式增加汇聚在液滴汇集区的冷凝液的质量，同时蒸汽也通过超亲水表面直接冷凝的方式增加汇聚在液滴汇集区的冷凝液的质量。然而，冷凝过程中冷凝液表面的饱和蒸气压与冷凝液滴的大小负相关，即：冷凝液滴曲率越小，冷凝液滴表面的饱和蒸气压越低，蒸汽越容易发生冷凝。增加上凸状超亲水三维结构的尺寸使其尺寸为L3(L3＞L2＞L1)，最终汇聚在上凸状亲水三维结构端部的冷凝液滴尺寸也将增加(D3＞D2＞D1)，曲率减小，从而减小了汇聚后冷凝液滴表面的饱和蒸气压(Pr3＜Pr2＜Pr1)，提高了蒸汽在汇聚后冷凝液滴表面的冷凝速度。因此增大上凸状亲水三维结构的尺寸，有助于减小汇聚后冷凝液滴表面的饱和蒸气压，提高蒸汽冷凝效率。
本发明强化滴状冷凝的三维图案化表面具有上凸状超亲水三维图案，该三维图案可约束滴状冷凝液横向生长空间，在不改变滴状区占比的前提下大幅减小滴状冷凝液脱离至膜状区的尺寸；可促进膜状区冷凝液的传输和汇聚，此外，三维图案的团簇状组合可减小表面冷凝液整体脱离阻力，从而促进表面冷凝液最终脱离，提升滴状冷凝效率和长效性。本发明提出的三维图案化表面统筹优化了强化滴状冷凝的四个过程，在高效集水、冷凝传热和新型高性能热管制造等方面具有极大的潜在应用价值。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
