电场作用下固体热表面纳米流体液滴蒸发的试验研究

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复杂流体液滴蒸发在生物医疗检测、微电子芯片和纳米新材料制备等前沿技术领域具有重要的应用前景。认识和掌握液滴蒸发过程中的动力学行为及规律,是实现上述应用的关键。已有研究主要集中在自然条件下表面浸润性和表面温度等对一般流体液滴蒸发特性的影响。随着电流体动力学在微流控、静电喷涂和增材制造等领域的创新应用,电场作用下复杂流体液滴的蒸发行为有待进一步研究。本文提出对外加电场中固着纳米流体液滴在热表面上的蒸发行为展开研究。基于高速数码和延迟摄影技术搭建了可视化实验平台,捕捉了电场作用下蒸发过程中液滴接触角、接触直径及瞬态相界面的变化。基于扩散理论及实验假设提出超疏水热表面液滴蒸发时无量纲接触直径的预测模型。探究了电场形式及电场强度对不同浸润性表面纯水及氧化石墨烯纳米流体液滴蒸发模式和蒸发时间等的影响。通过实验研究和理论分析相结合的方法,旨在获得电场作用下复杂流体液滴蒸发特性及规律,揭示电场对复杂流体液滴蒸发过程的调控机制。本文首先开展了电场作用下超疏水热表面纯水及氧化石墨烯纳米流体液滴蒸发的研究。纯水液滴在超疏水热表面蒸发的标定实验与推导的理论预测模型取得了良好的一致性。研究发现平板电场能够将液滴沿电势梯度方向拉伸成椭球状,并可以调控液滴接触直径的大小及蒸发过程。电场下液滴接触直径的减小将导致蒸发时间的延长。并且实验发现当液滴接触直径收缩比减小至某一临界值后,将出现一种新的蒸发模式:接触角与接触直径均保持不变的极限蒸发模式。氧化石墨烯纳米颗粒浓度的增大将抑制电场中纳米流体的形变。电场强度的改变使不同质量浓度氧化石墨烯纳米流体液滴的蒸发模式产生显著差异。强电场作用将促使纳米颗粒的沉积形貌趋于球状。而针-板电场中,由于针尖电极产生的离子风及诱导压力对液滴气-液界面的作用,液滴将发生非稳态扰动行为。随着电场强度的增加,液滴的扰动幅度增加及周期延长。电场对周围外部流场运动的影响加速了液滴对流换热进而促进了液滴的蒸发,然而电场对液滴初始接触直径大小、蒸发过程及纳米颗粒沉积形貌的调控作用微弱。再次对无电场和加外电场下疏水热表面氧化石墨烯纳米流体液滴蒸发滑移特性展开研究。结果表明疏水表面上液滴蒸发开始时接触线处于“钉扎”状态,以常接触半径模式蒸发。向基液中加入氧化石墨烯纳米颗粒延长了液滴在该模式下的蒸发时间。而利用外加电场能够调控液滴蒸发接触线去“钉扎”时刻。平板电场中液滴被拉伸为圆锥状和接触角减小,增加了液滴接触线向内发生滑移的趋势。电场下基液液滴接触线的滑移时刻提前发生,而纳米流体液滴自身增强“钉扎”使电场难以影响接触线的移动。增加电场强度使液滴接触角减小至约76o(后退角)时,接触线向内滑移,液滴出现非稳态抖动现象。抖动频率随氧化石墨烯纳米颗粒质量浓度的增大而减小。针-板电场作用下液滴以常接触半径模式蒸发阶段延长,液滴的蒸发总时间缩短。同时电场强度的增加将导致了液滴产生微弱的扰动行为。基于电场调控固着液滴蒸发行为的研究,将为发展微控新技术、微纳材料制备和生物医学检测等提供研究基础和技术指导。
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