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文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:103119
超疏水纳米结构表面池沸腾特性
陈粤,刘俊威,莫冬传,吕树申*
(中山大学化学与化学工程学院, 广州 510275)
(Tel:[phone], E-mail:******@.)

摘要:本文通过采用物理气相沉积法于 TiO2 纳米管阵列表面修饰一层聚四氟乙烯(PTFE)颗粒,得到超
疏水表面,并研究此超疏水纳米结构表面的池沸腾特性。研究表明,超疏水纳米结构表面沸腾特性类似于
膜沸腾,沸腾工质难以浸润该界面,其沸腾传热系数及临界热流密度均较低。分析表明,固液处于 Cassie
接触状态,纳米结构表面向沸腾工质给热效率低,是超疏水纳米结构表面沸腾效率低的主要原因。

关键词:池沸腾;超疏水;纳米结构表面;TiO2 纳米管阵列;Cassie 状态

0 前言
沸腾换热是解决高热流密度散热问题的有效方法之一。沸腾表面的浸润情况对沸腾换
热效率有极大的影响,超亲水沸腾表面可有效提高沸腾临界热流密度[1-3],而超疏水界面的
沸腾特性研究却鲜为报道。
材料表面纳米结构化可改变表面浸润性[4]。当水滴与纳米结构表面接触时,纳米结构
的间隙由空气所占据,水滴因界面张力作用而无法浸润至间隙,此时纳米结构表面与水滴
的接触状态处于 Cassie 状态[5],其表现为高接触角,水滴难以浸润该表面。本文通过采用
物理气相沉积法于 TiO2 纳米管阵列表面修饰一层 PTFE 颗粒,得到超疏水表面,并研究其
池沸腾特性。
1 实验方法
纳米结构表面
图 1(a)为采用阳极氧化法制备的 TiO2 纳米管阵列表面的扫描电子显微镜(SEM)
图片。图 1(b)为通过物理气相沉积法于 TiO2 纳米管阵列表面修饰一层 PTFE 颗粒后的
SEM 图片,该样品作为沸腾表面。

(a) (b)

图 1 纳米结构表面 SEM 图
(a)TiO2 纳米管阵列表面 SEM 图;(b)PTFE 修饰后的 SEM 图

基金项目:国家自然科学基金项目资助(No. 50976126)
图 2 沸腾实验装置
1 加热器;2 沸腾样品;3 沸腾池;4 绝热材料;5 温度采集记录

池沸腾实验装置
图 2 为沸腾实验装置示意图。加热热源为纯铜加热块,采取有效保温保证加热器的热
量沿轴向传至沸腾表面;通过测定加热块上等距三点(T1、T2 与 T3)的温差,确定轴向
热流。
沸腾槽内实验工质为去离子纯水。采用钛包铜复合层材料进行沸腾实验。钛层用于制
备沸腾表面,铜层锡焊于纯铜加热块顶面,并于沸腾表面正下方 2-3mm 处隧穿孔道布置热
电偶(T-chip)。沸腾池底部区域布置热电偶(T-water)。沸腾槽四周进行有效绝热保温。

2 实验结果与讨论
沸腾前后样品浸润性表征
沸腾前后样品的浸润性可由沸腾前后的界面接触角来表征,如图 3 示,图 3(a)为纳
米结构表面沸腾实验前的浸润测试结果,水滴接触角为 160°,表现为超疏水特性;图 3(b)
为沸腾实验后的浸润测试结果,水滴接触角为 140°,超疏水特性有所减弱。

(a) (b)