化学微图案化表面上液滴蒸发特性研究

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1、工程硕士学位论文化学微图案化表面上液滴蒸发特性研究作者姓名朱琦学科专业化学工程校内指导教师蒋翔副研究员校外指导教师彭元芳高级工程师所在学院化学与化工学院论文提交日期2018年3月ChemicalMicro-PatternedSurfacesonDropletEvaporationADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：ZhuQiSupervisor：AssociateProf.JiangXiangSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类号：

2、TQ学校代号：10561学号：201521019025华南理工大学硕士学位论文化学微图案化表面上液滴蒸发特性研究作者姓名：朱琦指导教师姓名、职称：蒋翔副研究员申请学位级别：工程硕士工程领域名称：化学工程论文形式：ꇶ产品研发ꇶ工程设计√应用研究ꇶ工程/项目管理ꇶ调研报告研究方向：传热与节能工程论文提交日期：2018年3月12日论文答辩日期：2018年3月21日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：解东来委员：李国庆、李亚军、黄金、蒋翔摘要液滴蒸发广泛地应用于冷却集成电路、喷墨印刷、DNA测绘等领域。一般认为材料表面特性对液滴蒸发有着

3、关键的影响。目前对液滴蒸发的研究大多集中在均匀基板上进行，很少涉及图案化表面。为此，利用二氧化钛光催化活性结合紫外光照刻蚀技术，在钛片表面制备各种图案化非均匀润湿性表面，研究固着液滴在这些表面上的蒸发特性。首先，采用阳极氧化退火方法在纯钛片表面制备具有光催化活性的TiO2纳米管，同时为表面提供纳米级粗糙度，疏水剂处理后，用紫外光透过掩膜照射钛片，使透光部分的疏水基团光降解转变为亲水基团，钛片表面成为超疏水和亲水相间的图案化非均匀润湿性表面。其中疏水部分接触角可达167°，亲水部分接触角在10°以下。制备的表面对液滴润湿具有很好的控制能力，使表面形成界限分明的液

4、体图案。然后，研究表面润湿性差异对液滴蒸发的影响，对比单个液滴在均匀和图案非均匀润湿性表面上的蒸发行为。结果显示：液滴在非均匀图案化表面的蒸发过程多出两个阶段：跳跃模式蒸发阶段和粘滑模式蒸发阶段，在均匀表面上液滴的CCL（constantcontactline）模式蒸发阶段所占时长约为总蒸发时间的70%以上，随着表面接触角的增大，液滴蒸发时间延长，在非均匀表面上CCL模式蒸发阶段所占时长为总蒸发时间的80%左右，蒸发表面图案不同液滴蒸发跳跃和粘滑模式存在不同，总体表现为三相线钉扎时间越长，跳跃次数越少，液滴蒸发耗时越短。其次，研究了液滴在微图案化非均匀表面上的

5、蒸发特性情况，探讨不同图案、亲疏水比例、壁面温度对液滴蒸发的影响。液滴在网状微图案化非均匀表面上蒸发过程跳跃次数较多，蒸发耗时较长，在方格孤岛微图案表面以CCL模式蒸发较多，蒸发耗时较短。表面亲水比例的增加会延长接触面直径从而促进蒸发，相比于亲疏水比例1:3的表面，比例为2:1的表面蒸发时间减少11.5%。固着液滴在加热表面上蒸发时，主要受壁面加热温度影响，升高温度20℃（从40℃至60℃）使液滴蒸发耗时减少66.9%。最后，研究了条纹微图案化非均匀表面上细长液滴蒸发的不对称收缩情况。实验发现条纹相对比率（疏水与亲水条纹宽度的比值）是影响液滴形状的重要参数，相

6、对比率越低液滴越细长，当相对比率大于5时，液滴近似呈球状。液滴在条纹微图案化表面上蒸发时，首先发生径向收缩，随后轴向发生粘滑跳跃现象。条纹相对比率从0.2放大到5时，液滴长宽比从3.2减小至1.02，蒸发耗时减少37.1%。关键词：微图案化；各向异性润湿；蒸发模式；液滴蒸发IABSTRACTDropletevaporationiswidelyusedincoolingintegratedcircuits,inkjetprinting,DNAmappingandotherfields.Generally,thepropertiesofthematerialsur

7、facehaveacrucialeffectontheevaporationofthedroplets.However,thecurrentresearchesondropletevaporationmostlyfocusesonhomogeneoussubstrates,therearefewresearchesonheterogeneouspatternsurfaces.Therefore,photocatalyticactivityoftitaniumdioxidecombinedwithUVphotolithographytechnologywereu

8、sedtoprepareavariet