液滴撞击超疏水冷表面的反弹/黏附特性对比研究*

2021-02-04姚一娜

中国安全生产科学技术 2021年1期

姚一娜，刘呈，李聪，杨锐

(1.中国电子科学研究院，北京 100041；2.中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院，北京 100083；3.清华大学工程物理系,北京 100084)

0 引言

表面温度影响液滴撞击固体表面动力学过程。当表面温度足够低，液滴冻结沉积，给输电线路、巡航飞机安全稳定运行造成严重威胁[1-3]。因此,深入研究液滴撞击固体冷表面意义重大。

针对液滴撞击固体表面影响因素研究主要包括表面结构和表面温度[4-10]：Mishchenko等[11]开展液滴撞击超疏水倾斜冷表面实验发现，液滴出现反弹现象；Bahadur等[12]发现固体表面结构、化学性质及热力学性质会影响冰珠形成过程；Jung等[13]发现固体表面粗糙度对液滴结冰过程影响显著；Remer等[14]研究不同工况下液滴撞击不同润湿性表面结冰行为发现，高湿度和低温条件下，液滴在超疏水表面依然不结冰。

开展液滴撞击超疏水冷表面可视化观测实验，观察液滴撞击出现反弹与黏附2种响应方式，分析表面温度对撞击动力学过程影响，为表面结冰界面现象与防冰/除冰机理研究提供参考。

1 实验方法

1)超疏水表面制备与表征

本文采用CuO超疏水表面，以铜片为基底，通过氧化法构建CuO纳米结构，经氟化修饰处理CuO超疏水表面[15-16]。具体加工工艺包括铜片预处理、化学氧化、疏水化处理，超疏水表面SEM结构如图1所示。采用接触角测量仪DSA25测量超疏水表面静态接触角169°、前进接触角171°、后退接触角167°，说明该表面具有良好超疏水性。

图1 CuO纳米结构扫描电镜图(SEM)Fig.1 SEM of CuO nanostructures

2)实验装置与方法

实验装置如图2所示。滴液系统采用KRUSS DSA25接触角测量仪，高速摄像系统釆用PCO-12000 hs高速摄像仪，帧率4 000 帧/s，分辨率1 280×1 024。制冷系统采用KRUSS-TC40温控箱，内径110 mm×105 mm×65 mm。为避免固体表面水蒸气冷凝现象，在温控箱降温前通入高纯N2，实验结束后停止通入N2。

图2 实验装置Fig.2 Schematic diagram of experimental device

分析撞击前液滴图像，得到液滴等效直径D0为2.45 mm±0.01 mm。通过计算液滴碰撞在固体表面时刻位移，得到液滴从100 mm高度下落时碰撞速度U0为1.39 m/s±0.01 m/s。实验采用去离子水，环境温度保持25 ℃，环境湿度25.0%±1.0%。CuO超疏水表面温度Tw分别为25，-10，-15，-20，-25，-30，-35，-40 ℃。

2 结果与讨论

2.1 液滴撞击超疏水冷表面的反弹与黏附响应方式

-10℃超疏水冷表面液滴撞击运动过程如图3所示。液滴等效直径2.45 mm，碰撞速度1.39 m/s。液滴撞击超疏水冷表面的反弹与黏附响应方式指：液滴撞击表面后，在惯性力作用下以碰撞点为中心向四周铺展，且液滴铺展直径逐渐增大；液滴开始向中心回缩，呈下宽上窄形状；在12.63 ms时，液滴成功克服界面黏附力，彻底反弹脱离冷表面，离开冷表面的液滴继续上升，在空中分成2个小液滴，最终液滴静止在冷表面上。由图3可知，-10 ℃超疏水冷表面液滴撞击全过程未发生冻结，表明液滴在冰核形成之前就反弹脱离表面；此外，液滴在脱离表面瞬间没有出现拖曳现象，说明表面温度为-10 ℃时，该表面具备良好非黏超疏水性能。

图3 -10 ℃超疏水冷表面液滴撞击过程Fig.3 Rebound behavior of droplet impacting superhydrophobic cold surface with -10 ℃

-30℃超疏水冷表面液滴撞击运动过程如图4所示。与-10 ℃超疏水冷表面不同，液滴回缩后仅有部分液滴弹起，并最终在冷表面冻结。液滴达到最大铺展状态时，最大铺展直径约6.33 mm，与图3基本一致，说明超疏水冷表面温度对液滴撞击后铺展阶段基本没有影响。在液滴回缩过程中，铺展直径不再发生变化，因为液滴与冷表面接触部分发生冻结并黏连在表面上；此时，液滴上部未冻结部分仍处于非平衡状态，在表面张力作用下具有上升趋势，并最终在惯性力作用下克服表面张力，脱离主液滴，形成卫星液滴；而主液滴在冷表面上持续振荡，最终达到稳定润湿状态。综上，在-30 ℃超疏水冷表面，液滴还没有完全脱离表面时就形成结冰冰核，导致液滴底部黏连在冷表面上。

图4 -30 ℃超疏水冷表面液滴撞击过程Fig.4 Adhesion phenomenon of droplet impacting superhydrophobic cold surface with -30 ℃

由图3～4可知，随超疏水冷表面温度降低，液滴碰撞过程中冰核形成速度加快。当冰核形成时间早于液滴反弹脱离表面时间，液滴底部发生相变结冰，黏附在冷表面上。

2.2 液滴撞击不同温度超疏水冷表面动力学行为

对所有工况实验现象统计分析发现，液滴撞击超疏水表面出现反弹与黏附2种响应行为，如图5所示。由图5可知，当表面温度处于-20 ℃～25 ℃之间，液滴撞击超疏水冷表面后完全反弹脱离表面，原因是：1)液滴在超疏水冷表面上异相成核能垒较高，可有效抑制冰核形成。2)由于超疏水表面具有极强憎水性，液滴运动过程中动态接触角较大，可加速脱离表面。上述2个原因使液滴撞击超疏水冷表面后，能够克服冷表面与液滴之间黏附力反弹脱离表面，并且整个过程中不发生冻结。

图5 液滴撞击不同温度超疏水表面的反弹与黏附响应方式Fig.5 Rebound and adhesion response modes of droplet impacting superhydrophobic cold surfaces with different temperatures

当表面温度处于-40 ℃～-25 ℃，液滴最终均会冻结黏附在固体表面，因为液滴与冷表面接触一定时间，固-液界面处形成冰核，触发液滴结冰现象。当表面温度由-25 ℃降至-40 ℃，主液滴顶部能达到最大高度呈逐渐减小趋势，依次为14.9，8.6，5.5，3.1 mm，随表面温度降低，液滴在冷表面结冰速率加快，使液滴未冻结部分剩余动能急剧减小，导致主液滴回缩最大高度减小。

综上，各实验工况液滴撞击超疏水冷表面发生反弹的临界表面温度介于-25 ℃～-20 ℃之间，若更换表面材料结构种类，该临界温度范围可能发生变化。2种响应方式主要取决于液滴与冷表面接触时间和冰核形成延迟时间相对快慢。

2.3 表面温度对接触时间与反弹高度影响

超疏水表面在不同温度条件下液滴铺展直径变化如图6所示。液滴撞击表面后迅速铺展，在2 ms～3 ms内达到最大铺展直径，并且无量纲最大铺展直径数值与超疏水表面温度基本无关，均稳定在2.5 mm左右，铺展时间基本一致，表明超疏水表面温度对液滴运动基本没有影响。

图6 超疏水表面在不同温度条件下液滴铺展直径变化Fig.6 Change of spreading diameters of droplet impacting superhydrophobic cold surfaces with different temperatures

在液滴发生反弹响应行为的4种工况(25，-10，-15,-20 ℃)中，液滴铺展直径达到最大值后逐渐减小至0，说明液滴已完全反弹脱离表面。随表面温度降低，液滴与表面接触时间延长。

在液滴发生黏附响应行为的4种工况(-25，-30，-35，-40 ℃)中，液滴铺展直径达到最大值后逐渐减小直至趋于稳定。冷表面温度越低，液滴回缩程度越小，稳定铺展直径越大。其中，-40 ℃超疏水冷表面液滴铺展结束后，基本没有回缩行为，这是由于表面温度过低，液滴在铺展瞬时即与表面发生成核结冰，无法回缩。

定义液滴反弹脱离表面后其底端距表面距离为反弹高度。液滴撞击不同温度(25，-10，-15，-20 ℃)超疏水表面反弹高度如图7所示。由图7可知，随表面温度降低，液滴最大反弹高度显著降低，并且从反弹瞬间(t=0 ms)到再次回到表面时间间隔缩短。随表面温度降低，液滴与冷表面接触时间增加，温度持续降低，液滴内部及界面黏性耗散更大，导致液滴反弹时初始动能更小，即最大反弹高度更小。