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耐冷凝超疏水铜表面构建及应用研究

作　者: 庞艺川
导　师: 冯杰
学　校: 浙江工业大学
专　业: 材料学
关键词: 超疏水表面冷凝自迁移机理抗结冰集水传热
分类号: TG174.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

超疏水表面由于具有极度憎水的特性,使得其在从大气中收集冷凝水、提高滴状冷凝传热甚至抗结冰结霜等领域有着广泛的潜在应用。但很多超疏水表面在冷凝时不能对冷凝液保持稳定的Cassie状态,即只是对外加水滴超疏,对原位形成的冷凝水则不超疏。这严重影响了上述很多应用的商业化。本研究在湿法氧化法蚀刻铜基底,实现纳米结构尺寸可控制备的基础上,构建了一系列不同形貌、不同冷凝行为的超疏水表面。研究了不同湿法化学刻蚀工艺的反应机理；观察、分析了水蒸气在这些超疏水表面上的不同冷凝行为,即在显微视野下,冷凝小水滴在有些超疏水表面上存在快速自迁移现象(简称Cassie冷凝),而在另外一些超疏水表面上则只是持续长大,无自迁移现象(简称Wenzel冷凝)。关联结构和性能,运用Laplace压力概念分析了冷凝自迁移与否的微观机理。使用上述差异化超疏水表面开展了抗结冰(结霜)、从大气中收集冷凝、提高滴状冷凝传热等方面的应用研究。发现Cassie冷凝表面能在一定程度上延迟结冰结霜时间、提高冷凝集水效率、提高冷凝传热效率。其中：在-5℃和-10℃下,Cassie冷凝超疏水表面比未改性铜表面延迟结霜时间354min(-5℃)和37min (-10℃),比Wenzel冷凝超疏水表面亦分别延迟结霜时间302min(-5℃)和29min(-10℃)；超疏水(Cassie冷凝)-疏水图案化表面较未改性铜表面提高大气集水效率70%以上；Cassie冷凝超疏水表面比未改性铜表面在实验传热装置中提高出口温度约7.5℃。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章文献综述  9-24
  1.1 引言  9-11
  1.2 超疏水表面的理论基础  11-14
    1.2.1 水滴静态接触角与理想固体表面模型：Young模型  11-12
    1.2.2 粗糙表面的接触角模型：Wenzel模型  12-13
    1.2.3 粗糙表面的接触角模型：Cassie模型  13
    1.2.5 滚动角理论  13-14
  1.3 超疏水表面的制备方法  14-19
    1.3.1 湿法化学刻蚀法  14-16
    1.3.2 等离子体处理  16
    1.3.3 刻蚀法  16-18
    1.3.4 气相沉积法  18
    1.3.5 其他方法  18-19
  1.4 水蒸气在两类超疏水表面的不同冷凝现象  19-20
    1.4.1 Wenzel状态冷凝  19
    1.4.2 Cassie状态冷凝  19-20
  1.5 具有冷凝自迁移现象的超疏水表面相关的应用  20-22
    1.5.1 抗结冰(结霜)  20-21
    1.5.2 从空气中收集冷凝水  21-22
    1.5.3 提高滴状冷凝传热  22
  1.6 课题的提出及主要研究内容  22-24
    1.6.1 课题提出的意义  22-23
    1.6.2 主要研究内容  23-24
第二章湿法化学刻蚀构建差异化超疏水铜表面及反应机理研究  24-33
  2.1 引言  24-25
  2.2 实验部分  25-28
    2.2.1 试剂与仪器  25-26
    2.2.2 超疏水表面的构建  26-28
  2.3 结果与讨论  28-32
  2.4 本章小结  32-33
第三章冷凝水滴在超疏水铜表面上自迁移现象及机理研究  33-45
  3.1 引言  33-34
  3.2 实验部分  34-35
    3.2.1 超疏水铜片制备  34
    3.2.2 测试与表征  34
    3.2.3 冷凝自迁移实验  34-35
  3.3 结果与讨论  35-44
    3.3.1 所制备表面的形貌和超疏水性能  35
    3.3.2 温湿控制冷凝实验  35-39
    3.3.3 自迁移微观机理  39-44
  3.4 本章小结  44-45
第四章超疏水表面上冷凝水滴自迁移现象的应用研究  45-72
  4.1 引言  45
  4.2 抗结冰(结霜)研究  45-59
    4.2.1 实验部分  45-46
    4.2.2 结果与讨论  46-58
    4.2.3 结论  58-59
  4.3 从空气中收集冷凝水研究  59-68
    4.3.1 实验部分  59-64
    4.3.2 结果与讨论  64-67
    4.3.3 结论  67-68
  4.4 提高滴状冷凝传热  68-71
    4.4.1 实验部分  68-69
    4.4.2 结果与讨论  69-71
  4.5 本章小结  71-72
第五章总结、创新点与展望  72-74
参考文献  74-83
攻读硕士期间所发表的论文  83-84
致谢  84

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