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物理学报 2015年第17期64卷 273-284页

作者：吴兵兵吴化平张征董晨晨柴国钟浙江工业大学机械工程学院特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室杭州310014

自然界中的微纳复合结构超疏水表面由于其独特的润湿性质引起了人们的广泛关注,大量实验研究表明了仿生人工微纳复合结构表面润湿性能的优越性,然而液滴在微纳复合结构表面的润湿状态和转型过程的理论研究还并不完善.本文首先用热力学... 详细信息

自然界中的微纳复合结构超疏水表面由于其独特的润湿性质引起了人们的广泛关注,大量实验研究表明了仿生人工微纳复合结构表面润湿性能的优越性,然而液滴在微纳复合结构表面的润湿状态和转型过程的理论研究还并不完善.本文首先用热力学方法分析了液滴在微纳复合结构表面可能存在的所有状态(四种稳定润湿状态和五种亚稳态到稳定态转型中的过渡态),推导出了相应的能量表达式及表观接触角方程;基于最小能量原理,确定液滴在微纳复合结构表面的稳定状态,较以往模型相比,能够更好的预测已有的实验结果;其次研究了微纳结构尺寸对稳定润湿状态和亚稳态到稳定态转型过程的影响;最后提出了微纳复合结构表面设计原则,即确定"超疏水稳定区"尺寸范围,为超疏水表面的制备提供理论依据.

关键词：微纳复合结构表面润湿状态能量势垒超疏水稳定性

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微纳复合结构表面汽泡动力学行为可视化研究

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工程热物理学报 2016年第10期37卷 2162-2166页

作者：栾义军胡学功王际辉戴新龙中国科学院大学北京100049 中国科学院工程热物理研究所北京100190

本文利用高速摄像运动分析技术对竖直放置的微纳复合结构表面热沉中的汽泡动力学行为进行了可视化实验研究。本文对微纳复合结构热沉表面的汽泡生长过程进行了描述;得到了纳米涂层的厚度变化对汽泡生长当量直径和生命周期的影响的实验... 详细信息

本文利用高速摄像运动分析技术对竖直放置的微纳复合结构表面热沉中的汽泡动力学行为进行了可视化实验研究。本文对微纳复合结构热沉表面的汽泡生长过程进行了描述;得到了纳米涂层的厚度变化对汽泡生长当量直径和生命周期的影响的实验结果。实验结果表明:随着微纳复合结构表面的纳米层厚度增加,汽泡生命周期缩短,汽泡的三个生长阶段之间的界限逐渐不明显,汽泡破裂时的汽泡当量直径减小。

关键词：微纳复合结构表面可视化汽泡动力学行为纳米层厚度

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微纳复合结构表面汽泡动力学行为可视化研究

微纳复合结构表面汽泡动力学行为可视化研究

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作者：栾义军中国科学院研究生院(工程热物理研究所)

学位级别：硕士

微纳复合结构是指在微米的结构中包含纳米结构的复合型结构。微纳复合结构既具有微米的结构特点,又包含纳米结构的特殊性能,所以微纳复合结构具有更独特的强化换热作用。进行这种微纳米复合结构表面强化流动与复合相变传热过程的相关研... 详细信息

微纳复合结构是指在微米的结构中包含纳米结构的复合型结构。微纳复合结构既具有微米的结构特点,又包含纳米结构的特殊性能,所以微纳复合结构具有更独特的强化换热作用。进行这种微纳米复合结构表面强化流动与复合相变传热过程的相关研究,可以揭示微纳米复合结构表面强化流动与复合相变换热机理,发展和丰富微纳尺度相变传热学理论,具有重要的学术意义;在工程应用上,该课题的研究成果可以为各种高热流密度电子器件相变微冷系统的设计提供理论依据和原则及方法,对于解决我国电子产业发展的散热瓶颈问题,促进我国电子工业的技术进步,具有重要的意义。本文中的微纳复合结构表面是对微槽群结构表面溅射钛纳米涂层形成。本文以此微纳复合结构表面作为核态沸腾相变换热的热沉,对此类型热沉表面分别进行了汽泡动力学行为的可视化实验研究和换热特性的实验研究。首先对微纳复合结构表面的汽泡动力学行为进行可视化实验研究。将热沉竖直放置,热沉表面槽道内润湿长度上发生饱和核态沸腾时,对汽泡动力学行为进行观察研究。汽泡的观察采用高速摄像运动分析技术,应用高速运动分析仪(Phantom V5.1)可对热沉表面气泡进行拍摄和记录,其附带软件PCC 2.3可对汽泡图像逐帧回放,并对图片信息进行提取和处理。通过对汽泡图像信息读取和处理,可以得到微纳复合结构表面上汽泡生长时间、等待时间、汽泡周期、汽泡脱离频率、汽泡尺寸变化和汽泡脱离直径等汽泡动力学行为参数。实验统计结果发现：在竖直微纳复合结构表面饱和核态沸腾实验中,随着微纳复合结构表面上钛纳米涂层厚度的增加,汽泡生长时间缩短,等待时间延长,汽泡周期缩短,汽泡脱离频率增加,汽泡脱离当量直径减小,且汽泡各个生长阶段之间的界限逐渐不明显。针对这些现象,文章引入了纳米材料的尺寸效应和表面效应进行了初步探讨和解释。其次,本文对微纳复合结构表面热沉的换热特性也进行了实验研究。在热沉表面的饱和核态沸腾实验研究中,首先对实验中热量从热源传输到微纳复合结构表面热沉周围水蒸汽的整个传热过程热阻体系进行分析,并根据各热阻数量级进行简化热阻模型,对热沉壁面过热度实验数据进行了修正,最终实验得到了微纳复合结构表面核态沸腾热流密度——壁面过热度(q—△T)曲线和沸腾相变换热系数——壁面过热度(h0—△T)曲线。实验结果表明,随着热沉表面纳米涂层厚度的增加,沸腾换热曲线大幅度向左移动,说明了与无纳米涂层的微槽群结构表面相比,在相同热流密度的情况下,微纳复合结构表面的壁面过热度降低,沸腾换热系数增加。

关键词：微纳复合结构表面汽泡动力学行为可视化研究核态沸腾换热特性

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高热流密度下微纳表面过冷流动沸腾传热特性

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实验力学 2024年第4期39卷 434-442页

作者：黄桓淳黄生洪周展如中国科学技术大学材料力学行为和设计重点实验室安徽合肥230027

微纳结构表面的强化传热技术在高热流密度的电子设备和托卡马克偏滤器等冷却系统中有很大的应用潜能。微纳表面过冷流动沸腾传热过程复杂,其传热特性的影响因素及其影响机制尚不明确,因此限制了微纳表面的广泛应用。针对这一问题,对3种... 详细信息

微纳结构表面的强化传热技术在高热流密度的电子设备和托卡马克偏滤器等冷却系统中有很大的应用潜能。微纳表面过冷流动沸腾传热过程复杂,其传热特性的影响因素及其影响机制尚不明确,因此限制了微纳表面的广泛应用。针对这一问题,对3种不同结构的微纳表面开展了水的过冷流动沸腾实验研究,实验条件如下:压力为0.5MPa、1MPa与1.5MPa,流速为1m/s、3m/s与5m/s,入口过冷度为303K、313K与323K,热流密度为3.4MW/m^(2)~13.1MW/m^(2)。基于实验得到的530组过冷流动沸腾传热实验数据,评估了现有文献中的25个流动沸腾传热系数经验关系式,表现最好的公式是Kutateladz公式,其平均绝对误差为22.2%。评估结果可为微纳表面强化传热技术在冷却系统中的应用提供参考。

关键词：微纳复合结构表面过冷流动沸腾传热系数经验关系式

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Zr基块体非晶合金疏水性表面的构造

Zr基块体非晶合金疏水性表面的构造

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作者：耿家伟烟台大学

学位级别：硕士

基于荷叶表面的自清洁效应,材料表面的疏水性能受到广泛关注,表面的超疏水性能更是受到材料、仿生、高分子等领域的青睐成为研究热点之一。对于固体材料,其表面能及表面微结构是决定表面超疏水性的最关键因素。传统金属材料由于自身晶... 详细信息

基于荷叶表面的自清洁效应,材料表面的疏水性能受到广泛关注,表面的超疏水性能更是受到材料、仿生、高分子等领域的青睐成为研究热点之一。对于固体材料,其表面能及表面微结构是决定表面超疏水性的最关键因素。传统金属材料由于自身晶粒尺寸及晶界效应导致难以在其表面构造理想的微纳复合结构,而其在力学性能和耐腐蚀性能等方面有局限性,导致即使在其表面构造了微纳复合结构,材料的应用范围也受到较大限制。而非晶合金的高强度、高硬度和高耐腐蚀性能等方面都具有独特的优势,具有广泛的应用前景。本论文选用玻璃形成能力大、热稳定性高的(ZrCuAlNi)Y和(ZrNbCuNiAl)Lu块体非晶合金作为研究对象,通过化学浸泡腐蚀和电化学腐蚀的方法在其表面构造微纳复合结构,并通过低表面能的硬脂酸进行再修饰以获得疏水性的表面。化学浸泡实验表明,(ZrCuAlNi)Y试样在不同比例的HF:HO:HO腐蚀液后表面接触角没有明显增加,表明其表面疏水性没有发生明显改善。(ZrNbCuNiAl)Lu试样在HF:HO:HO=1:1:12(单位为ml)浓度下腐蚀,每次腐蚀1min,腐蚀10次,其表面接触角由未腐蚀前的57°提高到98°,试样表面的疏水性能由腐蚀前的亲水性转变为疏水性;SEM分析表明,腐蚀后表面形成了微米孔洞,其周围存在许多微纳米级的颗粒,这些微米和纳米结构共同在试样表面构成了微纳复合结构。电化学腐蚀实验表明,(ZrCuAlNi)Y试样在5vol%的盐酸溶液中,在50mA恒电流下腐蚀45min后,表面接触角能由未腐蚀前的67°提高到153°,其表面由亲水性转变为超疏水特性;SEM观察发现试样表面均匀分布着微米孔洞,孔洞壁上有微米凸起,纳米级颗粒分布在凸起上,构成了微纳复合结构。在同样腐蚀条件下,(ZrNbCuNiAl)Lu试样腐蚀35min后表面接触角由未腐蚀前的57°增加到148°;SEM分析可知,腐蚀后试样表面上均匀分布着微米级孔洞,孔洞周围的球状颗粒上存在更小的纳米凸起,这些微观组织相互交错共同构成了微纳复合结构。

关键词： Zr基块体非晶合金疏水性化学腐蚀电化学腐蚀微纳复合结构表面

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