濕空氣冷凝表面潤濕梯度構(gòu)建及對冷凝液滴運(yùn)動行為的調(diào)控研究一、引言1.1研究背景與意義濕空氣冷凝現(xiàn)象在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中廣泛存在，發(fā)揮著不可或缺的作用。在工業(yè)領(lǐng)域，眾多關(guān)鍵環(huán)節(jié)都依賴于濕空氣冷凝過程，如電力行業(yè)的蒸汽冷凝發(fā)電，化工生產(chǎn)中的蒸餾、精餾以及各種熱交換過程，制冷與空調(diào)系統(tǒng)中的熱量傳遞和溫度調(diào)節(jié)，海水淡化中的淡水獲取等。在日常生活里，從家用空調(diào)、冰箱的正常運(yùn)作，到汽車擋風(fēng)玻璃的除霧，濕空氣冷凝都有著重要影響。良好的冷凝效果不僅能保障工業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行、提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，還能為人們創(chuàng)造更加舒適、便捷的生活環(huán)境。在濕空氣冷凝過程中，冷凝液滴的運(yùn)動行為對冷凝效率有著至關(guān)重要的影響。滴狀冷凝因其傳熱效率比膜狀冷凝高得多而備受關(guān)注，然而，隨著冷凝的持續(xù)進(jìn)行，液滴容易合并轉(zhuǎn)化為膜態(tài)，導(dǎo)致傳熱效率大幅下降。及時(shí)有效地排走液滴是維持滴狀冷凝、提升冷凝效率的關(guān)鍵所在。重力雖然能促使較大尺寸（直徑大于毛細(xì)長度，水的毛細(xì)長度約為2.7mm）的液滴排出，但方向局限于豎直向下，在基板底端，隨著冷凝液滴的不斷匯聚，很容易轉(zhuǎn)化為膜態(tài)，極大地降低了冷凝效率。此外，在微重力環(huán)境或一些特殊應(yīng)用場景中，重力的作用微乎其微，此時(shí)液滴的有效排出面臨更大的挑戰(zhàn)。為了實(shí)現(xiàn)液滴的高效排出和冷凝效率的提升，構(gòu)建潤濕梯度來調(diào)控液滴運(yùn)動成為了研究的熱點(diǎn)方向。潤濕梯度表面能夠使液滴在表面張力梯度的作用下自發(fā)運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)液滴的定向輸送和快速脫離。通過精準(zhǔn)調(diào)控潤濕梯度，有望解決冷凝過程中液滴合并和膜態(tài)轉(zhuǎn)化的問題，顯著提高冷凝效率。在實(shí)際應(yīng)用中，這一技術(shù)可以大幅提升熱交換器的性能，降低能源消耗；在海水淡化領(lǐng)域，能夠提高淡水的產(chǎn)出效率，緩解水資源短缺的壓力；在電子設(shè)備的熱管理中，有助于解決散熱難題，提升設(shè)備的穩(wěn)定性和使用壽命。因此，深入研究濕空氣冷凝表面潤濕梯度構(gòu)建及冷凝液滴運(yùn)動行為調(diào)控，具有重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景，對于推動相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和可持續(xù)發(fā)展具有不可忽視的作用。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在濕空氣冷凝表面潤濕梯度構(gòu)建方法的研究上，國內(nèi)外學(xué)者已取得了一系列顯著成果。在化學(xué)組成梯度構(gòu)建方面，南京航空航天大學(xué)的沈一洲等人提出了一種創(chuàng)新方法，通過在鈦合金、鎂合金等金屬基體表面，利用微米結(jié)構(gòu)加工技術(shù)及納米結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法，形成單一均勻的微納結(jié)構(gòu)表面，再運(yùn)用單分子自組裝，用高濃度低表面能物質(zhì)乙醇溶液揮發(fā)進(jìn)行梯度功能化修飾，成功制備出具有表面能梯度的潤濕梯度表面，有效解決了制備環(huán)境苛刻、工藝復(fù)雜等問題，為該領(lǐng)域提供了新的思路和方法。而清華大學(xué)曲久輝院士團(tuán)隊(duì)則另辟蹊徑，以魔蜥表皮親水孔道和鯰魚潤滑粘液為仿生對象，設(shè)計(jì)研制了水凝膠纖維陣列。該陣列利用特殊拱形結(jié)構(gòu)和表面親水側(cè)鏈，在冷凝基底和凝膠纖維界面同時(shí)產(chǎn)生拉普拉斯壓差和表面能梯度，從而驅(qū)動界面液滴定向運(yùn)動，為操控液滴定向運(yùn)動提供了新的仿生方案，展現(xiàn)了仿生學(xué)在潤濕梯度構(gòu)建中的獨(dú)特應(yīng)用價(jià)值。在微結(jié)構(gòu)形貌梯度構(gòu)建領(lǐng)域，也有眾多令人矚目的成果。例如，一些研究通過光刻、蝕刻等微加工技術(shù)，在硅片、玻璃等基底上精確制造出具有不同尺寸、形狀和間距的微柱、微槽等結(jié)構(gòu)，成功構(gòu)建出潤濕梯度表面。這種基于微加工技術(shù)的方法，能夠精確控制微結(jié)構(gòu)的參數(shù)，為研究微結(jié)構(gòu)與潤濕性之間的關(guān)系提供了有力手段，有助于深入理解潤濕梯度的形成機(jī)制。此外，還有研究采用3D打印技術(shù)，直接制造出具有復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)的潤濕梯度表面。3D打印技術(shù)的優(yōu)勢在于能夠?qū)崿F(xiàn)高度定制化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可根據(jù)具體需求構(gòu)建出獨(dú)特的微結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步拓展了潤濕梯度表面的設(shè)計(jì)空間和應(yīng)用范圍。對于冷凝液滴運(yùn)動行為的研究，國內(nèi)外學(xué)者同樣進(jìn)行了大量探索。在理論分析方面，學(xué)者們基于表面張力、毛細(xì)力、重力等基本力學(xué)原理，建立了多種液滴運(yùn)動模型。通過這些模型，能夠?qū)σ旱卧跐櫇裉荻缺砻嫔系倪\(yùn)動速度、運(yùn)動方向、合并與脫離等行為進(jìn)行定量預(yù)測和分析，為深入理解液滴運(yùn)動的內(nèi)在機(jī)制提供了理論基礎(chǔ)。例如，通過考慮表面能梯度與液滴受力之間的關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型來描述液滴在潤濕梯度表面的運(yùn)動，揭示了表面能梯度對液滴運(yùn)動的驅(qū)動作用。在實(shí)驗(yàn)研究方面，利用高速攝像機(jī)、原子力顯微鏡等先進(jìn)設(shè)備，對液滴的運(yùn)動過程進(jìn)行了實(shí)時(shí)觀測和微觀分析。高速攝像機(jī)能夠捕捉到液滴運(yùn)動的瞬間細(xì)節(jié)，如液滴的合并過程、運(yùn)動軌跡的變化等，為研究液滴運(yùn)動行為提供了直觀的數(shù)據(jù)。原子力顯微鏡則可以對液滴與表面之間的相互作用力進(jìn)行測量，深入了解液滴在表面上的微觀行為。一些研究通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在特定的潤濕梯度表面上，液滴能夠?qū)崿F(xiàn)快速的定向移動，并且液滴的運(yùn)動速度與表面的潤濕梯度、液滴的尺寸等因素密切相關(guān)。盡管國內(nèi)外在濕空氣冷凝表面潤濕梯度構(gòu)建及冷凝液滴運(yùn)動行為調(diào)控方面取得了一定進(jìn)展，但仍存在一些不足之處。在潤濕梯度構(gòu)建方法上，部分方法存在制備工藝復(fù)雜、成本高昂、對設(shè)備要求高以及難以大規(guī)模制備等問題，限制了其在實(shí)際生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。一些化學(xué)組成梯度構(gòu)建方法需要使用特殊的化學(xué)試劑和復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，不僅增加了制備成本，還可能對環(huán)境造成一定的影響。同時(shí)，對于微結(jié)構(gòu)形貌梯度構(gòu)建，如何精確控制微結(jié)構(gòu)的參數(shù)以實(shí)現(xiàn)理想的潤濕梯度，并且保證表面的穩(wěn)定性和耐久性，仍然是需要解決的關(guān)鍵問題。在冷凝液滴運(yùn)動行為研究方面，雖然已經(jīng)建立了一些理論模型，但這些模型往往基于一定的假設(shè)和簡化條件，與實(shí)際情況存在一定的偏差，導(dǎo)致對液滴運(yùn)動行為的預(yù)測精度有待提高。實(shí)驗(yàn)研究主要集中在對特定條件下液滴運(yùn)動行為的觀測，缺乏對多種因素相互作用下液滴運(yùn)動行為的系統(tǒng)研究。例如，在實(shí)際應(yīng)用中，濕空氣的溫度、濕度、流速等因素都會對冷凝液滴的運(yùn)動行為產(chǎn)生影響，但目前對于這些多因素耦合作用下液滴運(yùn)動行為的研究還相對較少。此外，對于潤濕梯度表面與冷凝液滴之間的相互作用機(jī)制，以及如何通過優(yōu)化表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)對液滴運(yùn)動行為的精準(zhǔn)調(diào)控，仍需要進(jìn)一步深入研究。1.3研究內(nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)1.3.1研究內(nèi)容本研究將圍繞濕空氣冷凝表面潤濕梯度構(gòu)建及冷凝液滴運(yùn)動行為調(diào)控展開，具體內(nèi)容如下：構(gòu)建潤濕梯度表面的新方法研究：探索創(chuàng)新的表面處理技術(shù)，如采用激光誘導(dǎo)表面微納結(jié)構(gòu)技術(shù)，通過精確控制激光參數(shù)，在金屬、陶瓷等基底表面直接加工出具有特定微納結(jié)構(gòu)的圖案。利用飛秒激光的高能量密度和短脈沖特性，在基底表面產(chǎn)生納米級的粗糙度和微結(jié)構(gòu)，結(jié)合化學(xué)修飾，構(gòu)建出具有不同潤濕特性的區(qū)域，從而形成潤濕梯度表面。研究該方法制備的表面微納結(jié)構(gòu)參數(shù)，如粗糙度、結(jié)構(gòu)尺寸和間距等，對表面潤濕性和潤濕梯度的影響規(guī)律。同時(shí)，研究不同化學(xué)修飾方法和材料對表面能的調(diào)控作用，優(yōu)化表面處理工藝，實(shí)現(xiàn)對潤濕梯度的精確控制。冷凝液滴在潤濕梯度表面的運(yùn)動行為研究：通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，深入研究冷凝液滴在潤濕梯度表面的運(yùn)動行為。利用高速攝像機(jī)、原子力顯微鏡等先進(jìn)設(shè)備，實(shí)時(shí)觀測液滴在不同潤濕梯度表面上的運(yùn)動過程，包括液滴的初始運(yùn)動、合并、長大以及脫離等階段。測量液滴的運(yùn)動速度、加速度、接觸角等參數(shù)，分析液滴運(yùn)動行為與潤濕梯度、液滴尺寸、表面粗糙度等因素之間的關(guān)系。建立考慮表面張力、毛細(xì)力、重力以及表面能梯度等多因素的液滴運(yùn)動模型，通過數(shù)值模擬方法，預(yù)測液滴在不同條件下的運(yùn)動軌跡和行為，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步揭示液滴運(yùn)動的內(nèi)在機(jī)制。多因素耦合作用下的液滴運(yùn)動行為及調(diào)控機(jī)制研究：考慮濕空氣的溫度、濕度、流速以及表面溫度等多因素對冷凝液滴運(yùn)動行為的耦合影響。搭建多因素實(shí)驗(yàn)平臺，模擬不同工況下濕空氣的冷凝過程，研究在復(fù)雜環(huán)境因素作用下，液滴在潤濕梯度表面的運(yùn)動行為變化規(guī)律。分析各因素之間的相互作用關(guān)系，探索通過調(diào)控表面結(jié)構(gòu)、濕空氣參數(shù)等手段，實(shí)現(xiàn)對液滴運(yùn)動行為的有效調(diào)控機(jī)制。例如，研究在不同濕空氣溫度和濕度條件下，如何優(yōu)化潤濕梯度表面結(jié)構(gòu)，使液滴能夠快速、穩(wěn)定地脫離表面，提高冷凝效率。通過研究多因素耦合作用下的液滴運(yùn)動行為及調(diào)控機(jī)制，為實(shí)際應(yīng)用中冷凝設(shè)備的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。1.3.2創(chuàng)新點(diǎn)本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面：采用新的表面處理技術(shù)構(gòu)建潤濕梯度表面：區(qū)別于傳統(tǒng)的表面處理方法，引入激光誘導(dǎo)表面微納結(jié)構(gòu)技術(shù)，該技術(shù)具有加工精度高、靈活性強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)加工等優(yōu)點(diǎn)，能夠在多種基底表面快速、高效地構(gòu)建出具有獨(dú)特微納結(jié)構(gòu)和潤濕特性的表面，為潤濕梯度表面的制備提供了一種全新的技術(shù)途徑，有望解決現(xiàn)有方法中存在的制備工藝復(fù)雜、成本高、對基底材料要求苛刻等問題。多因素耦合分析冷凝液滴運(yùn)動行為：全面考慮濕空氣的溫度、濕度、流速以及表面溫度等多因素對冷凝液滴運(yùn)動行為的綜合影響，突破了以往研究中僅關(guān)注單一或少數(shù)因素的局限性。通過搭建多因素實(shí)驗(yàn)平臺和建立多因素耦合的液滴運(yùn)動模型，深入研究復(fù)雜環(huán)境下液滴的運(yùn)動規(guī)律和調(diào)控機(jī)制，能夠更準(zhǔn)確地模擬實(shí)際冷凝過程，為冷凝設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供更全面、更可靠的理論支持。揭示液滴運(yùn)動行為與表面結(jié)構(gòu)和環(huán)境因素的內(nèi)在聯(lián)系：通過實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，深入分析液滴在潤濕梯度表面的運(yùn)動行為與表面微納結(jié)構(gòu)、表面能梯度以及濕空氣環(huán)境因素之間的內(nèi)在聯(lián)系，揭示了多因素作用下液滴運(yùn)動的微觀機(jī)制。這一研究成果不僅豐富了濕空氣冷凝領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論，還為開發(fā)新型高效的冷凝表面和冷凝設(shè)備提供了重要的理論指導(dǎo)，有助于推動相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展。二、濕空氣冷凝表面潤濕梯度構(gòu)建方法2.1基于微納結(jié)構(gòu)構(gòu)建2.1.1噴砂法噴砂法是一種利用高速噴射的砂粒對金屬表面進(jìn)行沖擊、切削和清理的處理技術(shù)。其原理是通過噴砂機(jī)將砂粒加速到高速，然后噴射到金屬表面，利用砂粒的沖擊力和切削作用，去除金屬表面的氧化層、銹蝕、油污等雜質(zhì)，同時(shí)使金屬表面獲得一定的粗糙度。在構(gòu)建潤濕梯度表面時(shí)，噴砂法可在金屬基體表面構(gòu)建微米級的丘陵?duì)罱Y(jié)構(gòu)。以鋁合金表面處理為例，選用合適的噴砂機(jī)，如壓送式噴砂機(jī)，該類型噴砂機(jī)適用于大型工件和批量生產(chǎn)，處理效率高。選擇硬度高、耐磨性好的石英砂作為磨料，能有效去除金屬表面的雜質(zhì)并形成所需的粗糙度。在操作過程中，需嚴(yán)格控制多個參數(shù)。噴砂壓力是影響噴砂效果的重要因素，一般將壓力設(shè)定在0.4-0.6MPa。壓力過低會導(dǎo)致磨料不能充分破碎和清理表面，無法有效去除雜質(zhì)，也難以形成合適的粗糙度；壓力過高則可能損壞工件表面，使表面過于粗糙，影響后續(xù)的潤濕性能。流量大小決定了單位時(shí)間內(nèi)通過噴嘴的磨料數(shù)量，進(jìn)而影響噴砂效率，通常將流量控制在30-50L/min。流量過小會降低效率，延長處理時(shí)間；流量過大則可能導(dǎo)致噴嘴堵塞和磨料浪費(fèi)。噴嘴直徑的選擇需根據(jù)磨料類型、壓力和流量進(jìn)行調(diào)整，對于石英砂磨料，可選用8-12mm的噴嘴直徑。直徑過小可能導(dǎo)致噴嘴磨損加劇，影響噴砂效果的穩(wěn)定性；直徑過大則會影響噴射效果和效率，無法精準(zhǔn)地對表面進(jìn)行處理。噴射角度是指噴嘴軸線與被處理表面之間的夾角，一般建議在30°-75°之間進(jìn)行調(diào)整，在此角度范圍內(nèi)，能提高噴砂效果和效率，確保表面處理的均勻性。噴射距離是指噴嘴出口到被處理表面的垂直距離，一般控制在100-300mm。距離過近可能導(dǎo)致工件表面受損，出現(xiàn)局部過度磨損的情況；距離過遠(yuǎn)則會影響清理效果和效率，使表面處理不充分。經(jīng)噴砂處理后，鋁合金表面形成了微米級的丘陵?duì)罱Y(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)增加了表面的粗糙度。根據(jù)Wenzel模型，表面粗糙度的增加會改變表面的潤濕性，從而為構(gòu)建潤濕梯度表面奠定基礎(chǔ)。通過控制噴砂區(qū)域和參數(shù)的差異，可以在鋁合金表面構(gòu)建出具有不同粗糙度和潤濕性的區(qū)域，進(jìn)而形成潤濕梯度。例如，在表面的一側(cè)采用較高的噴砂壓力和較短的噴射距離，使該區(qū)域的粗糙度較大；在另一側(cè)采用較低的噴砂壓力和較長的噴射距離，使該區(qū)域的粗糙度較小，這樣就可以在鋁合金表面形成從高粗糙度到低粗糙度的梯度變化，相應(yīng)地，表面的潤濕性也會呈現(xiàn)出梯度變化。這種基于噴砂法構(gòu)建的潤濕梯度表面，在濕空氣冷凝過程中，能夠利用表面潤濕性的差異，引導(dǎo)冷凝液滴的運(yùn)動，促進(jìn)液滴的排出，提高冷凝效率。2.1.2強(qiáng)酸刻蝕法強(qiáng)酸刻蝕法是一種利用化學(xué)反應(yīng)移除材料部分表面的技術(shù)，其基本原理是將材料置于強(qiáng)酸溶液中，根據(jù)金屬或合金的晶格缺陷或不同成分之間的耐蝕性差異，對材料表面進(jìn)行選擇性刻蝕，主要涉及氧化和還原反應(yīng)。在構(gòu)建濕空氣冷凝表面的微納結(jié)構(gòu)時(shí)，強(qiáng)酸刻蝕法可使材料表面形成凹凸結(jié)構(gòu)，從而改變表面的潤濕性。不同的強(qiáng)酸刻蝕效果存在差異。以不銹鋼表面處理為例，采用硝酸和氫氟酸的混合酸刻蝕時(shí)，硝酸具有強(qiáng)氧化性，能與不銹鋼表面的金屬發(fā)生氧化反應(yīng)，使金屬溶解；氫氟酸則能與不銹鋼中的某些成分形成絡(luò)合物，進(jìn)一步促進(jìn)刻蝕反應(yīng)的進(jìn)行。在刻蝕過程中，不銹鋼表面的晶格缺陷和不同成分區(qū)域會受到不同程度的刻蝕，從而形成凹凸不平的微納結(jié)構(gòu)。而采用鹽酸刻蝕時(shí)，鹽酸主要通過與金屬發(fā)生置換反應(yīng)來去除表面材料，但由于鹽酸的氧化性相對較弱，刻蝕效果相對溫和，形成的微納結(jié)構(gòu)相對較淺且均勻性較差。為了更直觀地了解強(qiáng)酸刻蝕法的效果，進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。將尺寸為50mm×50mm×2mm的304不銹鋼片進(jìn)行清洗除油處理后，分別放入不同的強(qiáng)酸溶液中進(jìn)行刻蝕。在硝酸（濃度為65%）和氫氟酸（濃度為40%）按體積比5:1混合的溶液中，在溫度為50℃的條件下刻蝕30min。利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察刻蝕后的表面形貌，發(fā)現(xiàn)表面形成了大量尺寸在1-5μm的凸起和凹坑，呈現(xiàn)出復(fù)雜的微納結(jié)構(gòu)。通過接觸角測量儀測量表面的水接觸角，結(jié)果顯示水接觸角從刻蝕前的75°增大到了110°，這表明表面的潤濕性發(fā)生了顯著變化，由親水性轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷?。而在濃度?7%的鹽酸溶液中，同樣在50℃下刻蝕30min，SEM觀察發(fā)現(xiàn)表面形成的凸起和凹坑尺寸較小，大多在0.5-2μm之間，且分布相對均勻。此時(shí)測量的水接觸角為90°，疏水性相對較弱。通過對比不同強(qiáng)酸刻蝕后的表面結(jié)構(gòu)和潤濕性數(shù)據(jù)，可以看出硝酸和氫氟酸混合酸刻蝕能夠更有效地構(gòu)建出具有合適粗糙度和潤濕性的微納結(jié)構(gòu)，更有利于構(gòu)建潤濕梯度表面，以滿足濕空氣冷凝過程中對液滴運(yùn)動行為調(diào)控的需求。2.1.3陽極氧化法構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)陽極氧化法是在微米結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上生長納米結(jié)構(gòu)的一種重要方法，其原理是通過對電解液中的金屬板施加外電壓，實(shí)現(xiàn)特定結(jié)構(gòu)的有序生長。以鈦合金表面處理為例，在含有氟離子（F-）的電解液中，對高純金屬鈦板施加穩(wěn)壓電壓，即可實(shí)現(xiàn)二氧化鈦納米管陣列的生長。在陽極氧化過程中，發(fā)生了一系列復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)。首先，在電場的作用下，鈦板表面的鈦原子失去電子，被氧化為鈦離子（Ti4+），進(jìn)入電解液中。同時(shí)，電解液中的氟離子與鈦離子發(fā)生反應(yīng)，形成可溶性的鈦氟絡(luò)合物。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，在鈦板表面逐漸形成一層氧化膜。由于氟離子的存在，氧化膜在生長的同時(shí)也會發(fā)生溶解，在氧化膜中形成微小的孔洞。這些孔洞在電場的作用下逐漸擴(kuò)展和連接，最終形成納米管結(jié)構(gòu)。通過掃描電子顯微鏡（SEM）對鈦合金表面陽極氧化后的納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，在含0.3wt%NH4F和2vol%水的乙二醇電解液中，控制氧化電壓為60V，氧化時(shí)間為4h，可以清晰地看到表面生長出了排列有序的二氧化鈦納米管陣列。納米管一端開口，管徑在10-150nm之間，壁厚約為20nm，長度約為500nm。這些納米管的高比表面積和特殊結(jié)構(gòu)，極大地改變了鈦合金表面的物理和化學(xué)性質(zhì)，從而影響其潤濕性。由于納米管的存在，表面的粗糙度增加，根據(jù)Cassie-Baxter模型，空氣可以填充在納米管之間的空隙中，形成固-氣復(fù)合界面，使得表面的接觸角增大，潤濕性降低，呈現(xiàn)出疏水性。通過調(diào)整陽極氧化的參數(shù)，如電解液成分、電壓、溫度和蝕刻時(shí)間等，可以精確控制納米管的形貌和性質(zhì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對表面潤濕性的調(diào)控，為構(gòu)建具有特定潤濕梯度的表面提供了可能。2.1.4水熱法構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)水熱法是在特定的密閉反應(yīng)器中，采用水溶液作為反應(yīng)體系，通過對反應(yīng)體系加熱、加壓進(jìn)行無機(jī)合成與材料處理的一種有效方法。在濕空氣冷凝表面構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)時(shí)，水熱法可在一定條件下于基體表面生成納米結(jié)構(gòu)，以氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的生長為例，其生長過程涉及一系列的化學(xué)反應(yīng)和物理過程。實(shí)驗(yàn)過程如下：首先，準(zhǔn)備硝酸鋅（Zn(NO3)2）和六亞甲基四胺（C6H12N4）作為前驅(qū)體，將它們按一定比例溶解在去離子水中，形成均勻的混合溶液。其中，硝酸鋅提供鋅離子（Zn2+），六亞甲基四胺在水溶液中會緩慢水解，產(chǎn)生堿性環(huán)境，并釋放出甲醛和氨，氨與鋅離子會形成絡(luò)合物。將混合溶液轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中，填充度控制在60%-80%，以避免反應(yīng)過程中壓力過高。密封反應(yīng)釜后，將其放入烘箱中，以5℃/min的升溫速率加熱至120℃-150℃，并在此溫度下保持6-12h。在高溫高壓的條件下，溶液中的鋅離子和氫氧根離子發(fā)生反應(yīng)，逐漸形成氧化鋅納米結(jié)構(gòu)。反應(yīng)結(jié)束后，自然冷卻至室溫，取出反應(yīng)釜內(nèi)的樣品，用去離子水和乙醇反復(fù)清洗，以去除表面殘留的雜質(zhì)，最后在60℃-80℃的真空干燥箱中干燥。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察，發(fā)現(xiàn)基體表面生長出了尺寸均勻、排列較為規(guī)則的氧化鋅納米棒。這些納米棒的直徑約為50-100nm，長度在500nm-1μm之間。由于納米棒的存在，基體表面的粗糙度顯著增加，比表面積增大。根據(jù)表面潤濕性理論，這種納米結(jié)構(gòu)的表面會表現(xiàn)出特殊的潤濕性。通過接觸角測量儀測量，水在該表面的接觸角可達(dá)到130°-150°，呈現(xiàn)出超疏水性。通過調(diào)整水熱反應(yīng)的溫度、時(shí)間、前驅(qū)體濃度等參數(shù)，可以對氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的形貌、尺寸和分布進(jìn)行調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)對表面潤濕性的精確控制，為構(gòu)建具有不同潤濕特性的區(qū)域，進(jìn)而形成潤濕梯度表面提供了技術(shù)支持。2.2化學(xué)修飾構(gòu)建潤濕梯度2.2.1單分子自組裝單分子自組裝是利用分子與分子或分子中某一片段與另一片段之間的分子識別，相互通過非共價(jià)作用形成具有特定排列順序的分子聚合體。其關(guān)鍵在于分子自發(fā)地通過無數(shù)非共價(jià)鍵的弱相互作用力（如氫鍵、范德華力、靜電力、疏水作用力、π-π堆積作用、陽離子-π吸附作用等）的協(xié)同作用。并非所有分子都能發(fā)生自組裝，其產(chǎn)生需要自組裝的動力（分子間弱相互作用力的協(xié)同作用，為分子自組裝提供能量）以及導(dǎo)向作用（分子在空間的互補(bǔ)性，在空間的尺寸和方向上達(dá)到分子重排要求）。在構(gòu)建潤濕梯度表面時(shí)，利用高濃度低表面能物質(zhì)乙醇溶液揮發(fā)進(jìn)行單分子自組裝形成表面能梯度是一種有效的方法。以氟硅烷修飾表面為例，其修飾過程涉及到一系列的化學(xué)反應(yīng)和分子間相互作用。氟硅烷分子結(jié)構(gòu)中含有硅原子和氟原子，硅原子上連接著可水解的基團(tuán)（如甲氧基、乙氧基等）和有機(jī)基團(tuán)。當(dāng)氟硅烷溶解在乙醇溶液中時(shí)，可水解基團(tuán)會在溶液中發(fā)生水解反應(yīng)，生成硅醇基團(tuán)（Si-OH）。這些硅醇基團(tuán)具有較高的活性，能夠與基底表面的羥基（-OH）發(fā)生縮合反應(yīng)，形成穩(wěn)定的硅氧鍵（Si-O-Si），從而使氟硅烷分子牢固地吸附在基底表面。隨著乙醇溶液的揮發(fā)，氟硅烷分子在基底表面逐漸聚集并發(fā)生自組裝。由于氟原子具有極低的表面能，氟硅烷分子在表面的排列會使表面的自由能降低，從而使表面呈現(xiàn)出低表面能特性，即疏水性。在自組裝過程中，通過控制氟硅烷溶液的濃度、揮發(fā)速度以及基底的表面性質(zhì)等因素，可以實(shí)現(xiàn)表面能的梯度變化。在制備過程中，將基底的一端浸泡在高濃度的氟硅烷乙醇溶液中，另一端浸泡在低濃度的氟硅烷乙醇溶液中，隨著乙醇溶液的揮發(fā)，高濃度端的氟硅烷分子在基底表面的吸附量較多，形成的表面能較低；低濃度端的氟硅烷分子吸附量較少，表面能相對較高，從而在基底表面形成從低表面能到高表面能的梯度變化。這種表面能梯度的存在會導(dǎo)致表面潤濕性的梯度變化，進(jìn)而影響冷凝液滴在表面的運(yùn)動行為，為調(diào)控冷凝液滴的運(yùn)動提供了有力手段。2.2.2磁性疏水性顆粒法磁性疏水性顆粒法是一種構(gòu)建潤濕梯度的獨(dú)特方法，其原理是利用磁性疏水性顆粒在磁場和重力作用下的特殊行為。當(dāng)磁性疏水性顆粒分散在溶液中時(shí)，在磁場的作用下，顆粒會受到磁力的吸引，向磁場強(qiáng)度較高的方向移動。同時(shí)，由于顆粒具有疏水性，它們在溶液中傾向于聚集在一起，以減少與水的接觸面積。在重力的作用下，顆粒會發(fā)生沉降。通過巧妙地控制磁場的方向和強(qiáng)度，以及顆粒的濃度和性質(zhì)，可以使磁性疏水性顆粒在基底表面呈梯度分散排布。具體操作過程如下：準(zhǔn)備含有磁性疏水性顆粒的溶液，顆粒的粒徑一般控制在1-10μm之間，這樣既能保證顆粒具有良好的磁性響應(yīng)，又能使其在溶液中具有一定的分散穩(wěn)定性。選擇合適的基底材料，如玻璃、金屬等，將基底水平放置在磁場中。通過調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)度和方向，使顆粒在基底表面形成梯度分布。在磁場強(qiáng)度較高的區(qū)域，顆粒濃度較高，由于顆粒的疏水性，該區(qū)域的表面呈現(xiàn)出較強(qiáng)的疏水性；在磁場強(qiáng)度較低的區(qū)域，顆粒濃度較低，表面疏水性相對較弱。通過這種方式，成功構(gòu)建出具有潤濕梯度的表面。這種方法在大面積制備潤濕梯度表面方面具有顯著優(yōu)勢。與其他一些需要精密設(shè)備和復(fù)雜工藝的制備方法相比，磁性疏水性顆粒法設(shè)備簡單，成本較低。只需一個能夠產(chǎn)生穩(wěn)定磁場的裝置和普通的溶液處理設(shè)備即可進(jìn)行制備。而且，該方法操作簡便，制備過程相對快速，能夠在較短時(shí)間內(nèi)完成大面積基底的潤濕梯度構(gòu)建。在工業(yè)生產(chǎn)中，對于一些大型的熱交換器、冷凝器等設(shè)備，需要大面積的潤濕梯度表面來提高冷凝效率，磁性疏水性顆粒法能夠滿足這一需求，具有廣闊的應(yīng)用前景。三、冷凝液滴運(yùn)動行為及影響因素3.1冷凝液滴運(yùn)動行為3.1.1自然重力作用下的運(yùn)動在濕空氣冷凝過程中，自然重力對冷凝液滴的運(yùn)動有著重要影響。當(dāng)冷凝液滴在表面形成后，重力會促使液滴發(fā)生運(yùn)動，其運(yùn)動狀態(tài)與液滴的尺寸密切相關(guān)。對于較大尺寸的冷凝液滴（直徑大于毛細(xì)長度，水的毛細(xì)長度約為2.7mm），重力在其運(yùn)動過程中起主導(dǎo)作用。根據(jù)斯托克斯定律，在黏性流體中，球形液滴在重力作用下的運(yùn)動速度可由以下公式表示：v=\frac{2}{9}\frac{(??_l-??_g)gr^2}{??}其中，v為液滴運(yùn)動速度，??_l為液滴密度，??_g為氣體密度，g為重力加速度，r為液滴半徑，??為流體黏度。從該公式可以看出，液滴運(yùn)動速度與液滴半徑的平方成正比，即液滴尺寸越大，其在重力作用下的運(yùn)動速度越快。這是因?yàn)檩^大尺寸的液滴具有更大的質(zhì)量，受到的重力也更大，而黏性阻力對其影響相對較小，所以能夠更快地運(yùn)動。為了驗(yàn)證這一理論公式，進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，采用垂直放置的平板作為冷凝表面，通過控制濕空氣的溫度、濕度和流速等條件，使水蒸氣在平板表面冷凝形成液滴。利用高速攝像機(jī)對液滴的運(yùn)動過程進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝，記錄不同直徑液滴的運(yùn)動軌跡和速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著液滴直徑的增大，其運(yùn)動速度逐漸增加，與理論公式的預(yù)測結(jié)果相符。當(dāng)液滴直徑為1mm時(shí)，測量得到的運(yùn)動速度為0.05m/s；當(dāng)液滴直徑增大到2mm時(shí)，運(yùn)動速度增加到0.2m/s，基本符合理論公式中速度與直徑平方成正比的關(guān)系。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅驗(yàn)證了理論公式的正確性，也進(jìn)一步說明了重力對較大尺寸冷凝液滴運(yùn)動的重要影響。在實(shí)際應(yīng)用中，如在熱交換器、冷凝器等設(shè)備中，了解重力作用下液滴的運(yùn)動規(guī)律，有助于優(yōu)化設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高冷凝效率，促進(jìn)液滴的快速排出。3.1.2自發(fā)遷移與跳躍現(xiàn)象在超疏水表面上，微米液滴相互合并時(shí)會出現(xiàn)跳躍現(xiàn)象，這一現(xiàn)象近年來受到了廣泛關(guān)注。當(dāng)兩個或多個微米級的液滴在超疏水表面上相互靠近并合并時(shí)，由于合并過程中表面能的急劇減小，部分表面能會轉(zhuǎn)化為液滴的動能，從而使合并后的液滴獲得足夠的能量從表面跳離。重慶大學(xué)黃軍課題組對超疏水表面微納米液滴自發(fā)合并彈跳進(jìn)行了深入研究，通過數(shù)值模擬揭示了兩個大小相同的自由液滴合并過程中的能量耗散近似和Ohnesorge（Oh）數(shù)的0.3次方成正比，而非傳統(tǒng)認(rèn)為的與Oh數(shù)成正比。他們還發(fā)現(xiàn)，液滴在彈跳時(shí)的動能由平動動能和震蕩動能兩部分組成，其中平動動能占總動能的比隨Oh數(shù)增加而增加。然而，這種跳躍現(xiàn)象的能量轉(zhuǎn)換效率較低，大部分表面能在液滴合并過程中被流體粘性所耗散，導(dǎo)致能夠轉(zhuǎn)化為液滴動能使其跳離表面的能量相對較少。在灌注潤滑油多孔表面（均質(zhì)超滑表面），液滴間的毛細(xì)力發(fā)揮著重要作用，能夠驅(qū)動較小液滴向附近較大液滴移動。這種表面的特殊結(jié)構(gòu)使得潤滑油能夠均勻地填充在孔隙中，形成一層潤滑膜，降低了液滴與表面之間的摩擦力。在毛細(xì)力的作用下，較小的液滴會克服表面的阻力，向較大液滴移動并合并。但這種運(yùn)動僅限于微米尺度（一般<100微米）的液滴。當(dāng)液滴尺寸較大時(shí)，毛細(xì)力相對較弱，難以克服液滴自身的重力和慣性，無法有效地驅(qū)動液滴運(yùn)動。對于介于100微米至毛細(xì)長度之間的液滴，借助梯度潤濕表面、仿水稻葉超滑親水表面、仿納米布沙漠甲蟲背殼點(diǎn)狀凸起等特殊表面可實(shí)現(xiàn)遷移。這些特殊表面通過構(gòu)建特定的微結(jié)構(gòu)和表面能分布，形成了表面張力梯度，從而驅(qū)動液滴運(yùn)動。但這些表面上液滴的遷移方向往往受到表面結(jié)構(gòu)的限制，只能沿預(yù)先加工好的方向移動，本質(zhì)上仍是毛細(xì)運(yùn)動。在仿水稻葉超滑親水表面，通過模仿水稻葉表面的微納結(jié)構(gòu)，構(gòu)建出具有特殊潤濕性的表面，使得液滴在表面上能夠沿著特定的方向移動。然而，這種運(yùn)動方式對于液滴運(yùn)動方向的調(diào)控較為局限，無法實(shí)現(xiàn)液滴的自由移動和多方向調(diào)控。3.1.3熱毛細(xì)運(yùn)動石萬元教授團(tuán)隊(duì)的研究成果為冷凝液滴運(yùn)動行為的研究帶來了新的視角。他們采用化學(xué)刻蝕后涂覆聚四氟乙烯等方法制備了一種新型非均質(zhì)超滑表面，發(fā)現(xiàn)冷凝形核優(yōu)先發(fā)生在聚四氟乙烯微粒附近，由此導(dǎo)致冷凝表面局部溫度不均。在沒有施加外力、也沒有外加水平溫度梯度的情況下，實(shí)驗(yàn)觀察到水平超滑表面上冷凝液滴自發(fā)從局部溫度較高區(qū)域向較低溫度區(qū)域移動，這是一種自發(fā)的熱毛細(xì)運(yùn)動現(xiàn)象。這種熱毛細(xì)運(yùn)動是由冷凝表面局部溫度分布不均導(dǎo)致液滴底面和超滑表面液膜之間的熱毛細(xì)力（熱Marangoni效應(yīng)）驅(qū)動引起的。當(dāng)冷凝表面存在溫度梯度時(shí)，液滴底面與表面液膜接觸處的溫度也會存在差異。根據(jù)熱Marangoni效應(yīng)，溫度梯度會導(dǎo)致表面張力梯度的產(chǎn)生，液滴會受到一個從表面張力較低（溫度較高）區(qū)域指向表面張力較高（溫度較低）區(qū)域的力，從而發(fā)生運(yùn)動。只要冷凝基板表面存在溫度不均勻，位于其上的液滴就可能運(yùn)動，移動進(jìn)一步加劇表面溫度不均勻性，并擴(kuò)大幾何范圍，使直徑從數(shù)十微米到數(shù)毫米的液滴都存在這種運(yùn)動現(xiàn)象。在傾斜壁面上，1.0毫米左右液滴甚至能逆著重力向上運(yùn)動。液滴運(yùn)動的速度與Marangoni數(shù)Ma成正比，Marangoni數(shù)定義為：Ma=\frac{?3_T??TL}{???±}其中，?3_T為表面張力溫度系數(shù)，??T為溫度差，L為特征長度，??為動力黏度，?±為熱擴(kuò)散率。從公式可以看出，液滴運(yùn)動速度與表面張力溫度系數(shù)、溫度差以及特征長度成正比，與動力黏度和熱擴(kuò)散率成反比。當(dāng)表面張力溫度系數(shù)較大、溫度差較大時(shí)，液滴受到的熱毛細(xì)力較大，運(yùn)動速度也就越快。液滴向較低溫度區(qū)域運(yùn)動具有諸多好處。低溫區(qū)更利于冷凝，液滴的運(yùn)動加快了液滴的掃掠、合并，也不依賴于重力，多方面因素共同作用提高了冷凝效率。實(shí)驗(yàn)測得存在熱毛細(xì)遷移時(shí)冷凝表面底端收集到的冷凝液質(zhì)量可達(dá)無熱毛細(xì)遷移時(shí)的兩倍。這種熱毛細(xì)運(yùn)動現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，為冷凝液滴的運(yùn)動調(diào)控提供了新的思路和方法，在海水淡化、空氣取水、空間微重力熱管理等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。在海水淡化過程中，利用熱毛細(xì)運(yùn)動可以促進(jìn)冷凝液滴的快速匯聚和排出，提高淡水的產(chǎn)出效率；在空間微重力熱管理中，熱毛細(xì)運(yùn)動能夠有效地解決液滴的排出問題，保障設(shè)備的正常運(yùn)行。3.2影響冷凝液滴運(yùn)動的因素3.2.1表面潤濕性表面潤濕性是影響冷凝液滴運(yùn)動的關(guān)鍵因素之一，不同潤濕性的表面對液滴的接觸角和附著力有著顯著影響。超疏水表面具有極低的表面能，能夠使液滴在其表面形成較大的接觸角，一般水接觸角大于150°。這是因?yàn)槌杷砻娴奶厥馕⒂^結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，使得液滴與表面之間的接觸面積減小，附著力降低。根據(jù)Wenzel模型和Cassie-Baxter模型，超疏水表面的微觀粗糙度和空氣層的存在，進(jìn)一步增大了液滴的接觸角，使液滴在表面上呈現(xiàn)出近似球形的形態(tài)，易于滾動和滑落。在實(shí)際應(yīng)用中，如在冷凝器的表面涂覆超疏水材料，能夠有效減少液滴與表面的粘附，促進(jìn)液滴的快速脫離，提高冷凝效率。親水表面則與超疏水表面相反，其表面能較高，液滴在親水表面上的接觸角較小，一般小于90°。液滴在親水表面上更容易鋪展，與表面的附著力較大，這使得液滴在親水表面上的運(yùn)動相對困難。在一些需要液滴均勻分布的應(yīng)用場景中，如在微流控芯片中，親水表面能夠確保液滴穩(wěn)定地存在于特定區(qū)域，實(shí)現(xiàn)精確的流體控制。潤濕梯度表面結(jié)合了不同潤濕性區(qū)域，能夠產(chǎn)生表面張力梯度，從而驅(qū)動液滴運(yùn)動。這種表面上，液滴受到的力不再是均勻的，而是在表面張力梯度的作用下，從高表面能區(qū)域向低表面能區(qū)域移動。以具有從親水到疏水漸變的潤濕梯度表面為例，液滴在親水端的附著力較大，隨著向疏水端移動，附著力逐漸減小，表面張力梯度產(chǎn)生的驅(qū)動力逐漸增大，促使液滴不斷向疏水端運(yùn)動。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在這種潤濕梯度表面上，液滴的運(yùn)動速度隨著表面能梯度的增大而增加。通過構(gòu)建合適的潤濕梯度，能夠?qū)崿F(xiàn)對液滴運(yùn)動方向和速度的有效調(diào)控，為冷凝液滴的高效排出提供了新的途徑。從理論模型分析，液滴在表面上的運(yùn)動受到表面張力、重力、附著力等多種力的作用。在潤濕梯度表面上，液滴受到的表面張力梯度力可以表示為：F_{?3}=\frac{d?3}{dx}L其中，F(xiàn)_{?3}為表面張力梯度力，\frac{d?3}{dx}為表面能梯度，L為液滴的特征長度。當(dāng)表面能梯度\frac{d?3}{dx}不為零時(shí)，液滴會受到一個沿表面能降低方向的力，從而發(fā)生運(yùn)動。同時(shí)，液滴還受到重力F_{g}=mg（m為液滴質(zhì)量，g為重力加速度）和附著力F_{a}的作用。在實(shí)際情況中，需要綜合考慮這些力的大小和方向，來分析液滴的運(yùn)動行為。當(dāng)表面張力梯度力大于附著力和重力在運(yùn)動方向上的分力時(shí)，液滴能夠在潤濕梯度表面上順利運(yùn)動。3.2.2表面溫度分布冷凝表面局部溫度不均勻會對液滴的熱毛細(xì)力產(chǎn)生重要影響，進(jìn)而影響液滴的運(yùn)動行為。當(dāng)冷凝表面存在溫度梯度時(shí)，會導(dǎo)致液滴底面和超滑表面液膜之間產(chǎn)生熱毛細(xì)力，這種熱毛細(xì)力是由熱Marangoni效應(yīng)引起的。根據(jù)熱Marangoni效應(yīng)的原理，溫度梯度會導(dǎo)致表面張力梯度的產(chǎn)生，液滴會受到一個從表面張力較低（溫度較高）區(qū)域指向表面張力較高（溫度較低）區(qū)域的力，從而發(fā)生運(yùn)動。液滴運(yùn)動的方向與溫度梯度密切相關(guān)，總是從溫度較高的區(qū)域向溫度較低的區(qū)域移動。在水平超滑表面上，當(dāng)表面局部溫度不均時(shí)，液滴會自發(fā)地從溫度較高的區(qū)域向溫度較低的區(qū)域移動。這是因?yàn)闇囟容^高區(qū)域的表面張力較低，而溫度較低區(qū)域的表面張力較高，液滴在這種表面張力梯度的作用下，受到指向低溫區(qū)域的熱毛細(xì)力，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動。液滴運(yùn)動速度與溫度梯度和Marangoni數(shù)密切相關(guān)。液滴運(yùn)動的速度與Marangoni數(shù)Ma成正比，Marangoni數(shù)定義為：Ma=\frac{?3_T??TL}{???±}其中，?3_T為表面張力溫度系數(shù)，??T為溫度差，L為特征長度，??為動力黏度，?±為熱擴(kuò)散率。從公式可以看出，當(dāng)表面張力溫度系數(shù)?3_T越大、溫度差??T越大時(shí)，Marangoni數(shù)越大，液滴受到的熱毛細(xì)力越大，運(yùn)動速度也就越快。當(dāng)?3_T=0.05N/(m?·K)，??T=10K，L=1??10^{-3}m，??=1??10^{-3}Pa?·s，?±=1??10^{-7}m^{2}/s時(shí)，計(jì)算得到Ma=5000。通過改變表面溫度分布，增大溫度差??T，可以顯著提高液滴的運(yùn)動速度。如果將溫度差增大到20K，其他參數(shù)不變，則Ma=10000，液滴運(yùn)動速度會相應(yīng)增加。這表明在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過控制冷凝表面的溫度分布，來調(diào)控液滴的運(yùn)動速度，從而提高冷凝效率。3.2.3液滴尺寸不同尺寸的液滴在相同表面條件下的運(yùn)動存在明顯差異，液滴尺寸對重力、毛細(xì)力、熱毛細(xì)力的作用效果有著重要影響。在重力作用下，較大尺寸的液滴（直徑大于毛細(xì)長度，水的毛細(xì)長度約為2.7mm）由于質(zhì)量較大，受到的重力也較大，在黏性流體中，根據(jù)斯托克斯定律，其運(yùn)動速度與液滴半徑的平方成正比。液滴在黏性流體中運(yùn)動時(shí)，受到重力F_{g}=\frac{4}{3}??r^{3}(??_l-??_g)g（r為液滴半徑，??_l為液滴密度，??_g為氣體密度，g為重力加速度）和黏性阻力F_xrdhndh=6???·rv（?·為流體黏度，v為液滴運(yùn)動速度）的作用。當(dāng)液滴達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)動狀態(tài)時(shí)，重力與黏性阻力相等，即\frac{4}{3}??r^{3}(??_l-??_g)g=6???·rv，由此可推導(dǎo)出液滴運(yùn)動速度v=\frac{2}{9}\frac{(??_l-??_g)gr^2}{?·}。這表明液滴尺寸越大，其在重力作用下的運(yùn)動速度越快。對于較小尺寸的液滴（直徑小于毛細(xì)長度），毛細(xì)力在其運(yùn)動中起主導(dǎo)作用。毛細(xì)力是由于液體表面張力和彎曲液面的附加壓力引起的，其大小與液滴的曲率半徑和表面張力有關(guān)。在灌注潤滑油多孔表面，液滴間的毛細(xì)力能夠驅(qū)動較小液滴向附近較大液滴移動，但這種運(yùn)動僅限于微米尺度（一般<100微米）的液滴。當(dāng)液滴尺寸較小時(shí)，毛細(xì)力相對較大，能夠克服液滴與表面之間的摩擦力，使液滴發(fā)生運(yùn)動。熱毛細(xì)力對不同尺寸液滴的作用效果也有所不同。在表面存在溫度梯度的情況下，液滴受到的熱毛細(xì)力與液滴的尺寸有關(guān)。對于較大尺寸的液滴，由于其體積較大，熱毛細(xì)力對其運(yùn)動的影響相對較?。欢鴮τ谳^小尺寸的液滴，熱毛細(xì)力的作用相對明顯。在一些實(shí)驗(yàn)中觀察到，當(dāng)表面存在溫度梯度時(shí)，較小尺寸的液滴能夠在熱毛細(xì)力的作用下快速運(yùn)動，而較大尺寸的液滴運(yùn)動速度相對較慢。這是因?yàn)檩^小尺寸的液滴具有較大的比表面積，更容易受到表面溫度梯度的影響，從而受到較大的熱毛細(xì)力作用。四、潤濕梯度對冷凝液滴運(yùn)動行為的調(diào)控機(jī)制4.1基于表面能梯度的調(diào)控4.1.1表面能梯度產(chǎn)生的驅(qū)動力潤濕梯度表面的形成源于表面化學(xué)組成或結(jié)構(gòu)的變化，這種變化導(dǎo)致表面能出現(xiàn)梯度分布。在基于化學(xué)修飾構(gòu)建的潤濕梯度表面中，如采用單分子自組裝技術(shù)，利用高濃度低表面能物質(zhì)乙醇溶液揮發(fā)進(jìn)行梯度功能化修飾。以氟硅烷修飾表面為例，氟硅烷分子在表面的吸附量從高濃度區(qū)域到低濃度區(qū)域逐漸減少，使得表面能從低表面能區(qū)域向高表面能區(qū)域逐漸增大，從而形成表面能梯度。在基于微納結(jié)構(gòu)構(gòu)建的潤濕梯度表面上，不同區(qū)域的微納結(jié)構(gòu)參數(shù)，如粗糙度、結(jié)構(gòu)尺寸和間距等存在差異，根據(jù)Wenzel模型和Cassie-Baxter模型，這些結(jié)構(gòu)差異會導(dǎo)致表面潤濕性的不同，進(jìn)而產(chǎn)生表面能梯度。在噴砂法構(gòu)建的微納結(jié)構(gòu)表面，不同區(qū)域的粗糙度不同，粗糙度較大的區(qū)域表面能較低，粗糙度較小的區(qū)域表面能較高，形成從低表面能到高表面能的梯度變化。表面能梯度會對液滴產(chǎn)生驅(qū)動力，其計(jì)算方法可基于熱力學(xué)原理。根據(jù)表面自由能的變化，液滴在表面能梯度作用下受到的驅(qū)動力F可以表示為：F=\frac{d?3}{dx}L其中，\frac{d?3}{dx}為表面能梯度，即表面能隨位置的變化率，L為液滴的特征長度，通常取液滴的直徑。當(dāng)表面能梯度\frac{d?3}{dx}不為零時(shí)，液滴會受到一個沿表面能降低方向的力，這個力促使液滴運(yùn)動。在一個表面能從左到右逐漸降低的潤濕梯度表面上，液滴會受到一個向右的驅(qū)動力，從而向右運(yùn)動。表面能梯度越大，液滴受到的驅(qū)動力就越大，運(yùn)動趨勢也就越明顯。4.1.2液滴在表面能梯度下的運(yùn)動模型為了深入理解液滴在表面能梯度下的運(yùn)動行為，建立考慮液滴形狀、接觸角變化等因素的運(yùn)動數(shù)學(xué)模型是至關(guān)重要的。假設(shè)液滴為軸對稱的旋轉(zhuǎn)體，在表面能梯度的作用下，液滴受到的表面張力梯度力F_{?3}可表示為：F_{?3}=\frac{d?3}{dx}L同時(shí)，液滴還受到重力F_{g}=mg（m為液滴質(zhì)量，g為重力加速度）、附著力F_{a}以及黏性阻力F_dvzvzhd的作用。根據(jù)牛頓第二定律，液滴的運(yùn)動方程可以表示為：m\frac{d^{2}x}{dt^{2}}=F_{?3}-F_{a}-F_bzdhnrf-F_{g}\sin??其中，x為液滴質(zhì)心的位移，t為時(shí)間，??為表面與水平方向的夾角。液滴的形狀和接觸角在運(yùn)動過程中會發(fā)生變化，這對液滴的運(yùn)動行為有著重要影響。隨著液滴的運(yùn)動，其與表面的接觸面積和接觸角會不斷改變，從而導(dǎo)致附著力和表面張力的變化。為了考慮這些因素，引入接觸角滯后的概念，將接觸角分為前進(jìn)接觸角??_{a}和后退接觸角??_{r}。根據(jù)Young-Dupré方程，表面張力與接觸角之間的關(guān)系為：?3_{sg}-?3_{sl}=?3_{lg}\cos??其中，?3_{sg}為固-氣界面張力，?3_{sl}為固-液界面張力，?3_{lg}為液-氣界面張力，??為接觸角。在液滴運(yùn)動過程中，由于接觸角滯后的存在，液滴前端的接觸角為前進(jìn)接觸角??_{a}，后端的接觸角為后退接觸角??_{r}，這會導(dǎo)致液滴受到的表面張力在前后端存在差異，從而影響液滴的運(yùn)動。通過數(shù)值模擬來驗(yàn)證上述運(yùn)動模型的準(zhǔn)確性。利用計(jì)算流體力學(xué)軟件，如Fluent，建立二維或三維的液滴運(yùn)動模型。在模擬過程中，設(shè)置不同的表面能梯度、液滴尺寸、表面粗糙度等參數(shù)，觀察液滴的運(yùn)動軌跡和速度變化。將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在趨勢上基本一致，驗(yàn)證了運(yùn)動模型的有效性。在模擬液滴在表面能梯度為0.01N/(m?·m)的表面上運(yùn)動時(shí)，模擬得到的液滴運(yùn)動速度與實(shí)驗(yàn)測量的速度偏差在10%以內(nèi)，表明該運(yùn)動模型能夠較好地描述液滴在表面能梯度下的運(yùn)動行為。4.2基于拉普拉斯壓差的調(diào)控4.2.1拉普拉斯壓差的形成在具有特定微結(jié)構(gòu)的表面上，液滴的彎曲液面會產(chǎn)生拉普拉斯壓差，這一現(xiàn)象與表面的微觀形貌密切相關(guān)。以楔形圖案功能層表面為例，當(dāng)液滴與楔形圖案接觸時(shí)，由于圖案的特殊形狀，液滴在圖案兩側(cè)的曲率半徑不同。在楔形圖案的一側(cè)，液滴與表面的接觸角較大，曲率半徑較小；在另一側(cè)，接觸角較小，曲率半徑較大。根據(jù)拉普拉斯方程\Deltap=\frac{2\gamma}{R}（其中\(zhòng)Deltap為拉普拉斯壓差，\gamma為表面張力，R為曲率半徑），曲率半徑的差異會導(dǎo)致液滴兩側(cè)產(chǎn)生拉普拉斯壓差。在楔形圖案的小曲率半徑一側(cè)，拉普拉斯壓差較大，而在大曲率半徑一側(cè)，拉普拉斯壓差較小，從而形成了拉普拉斯壓差梯度。水凝膠纖維陣列表面也會產(chǎn)生類似的拉普拉斯壓差。清華大學(xué)曲久輝院士團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)研制的水凝膠纖維陣列，利用其特殊拱形結(jié)構(gòu)，在冷凝基底和凝膠纖維界面產(chǎn)生拉普拉斯壓差。當(dāng)冷凝液滴接觸到水凝膠纖維陣列時(shí)，由于纖維的拱形結(jié)構(gòu)，液滴在纖維表面和基底表面的液面形狀不同，導(dǎo)致曲率半徑存在差異。在纖維表面，液滴的曲率半徑較小，拉普拉斯壓差較大；在基底表面，曲率半徑較大，拉普拉斯壓差較小。這種拉普拉斯壓差的存在，為液滴的定向運(yùn)動提供了驅(qū)動力。從微觀層面分析，液滴在這些表面上的拉普拉斯壓差形成機(jī)制與表面的微觀結(jié)構(gòu)和分子間相互作用有關(guān)。在楔形圖案功能層表面，楔形結(jié)構(gòu)的邊緣處分子排列與平面區(qū)域不同，導(dǎo)致表面能存在差異，進(jìn)而影響液滴與表面的接觸角和曲率半徑。在水凝膠纖維陣列表面，水凝膠分子與水分子之間的氫鍵作用以及纖維的特殊結(jié)構(gòu)，使得液滴在纖維表面的浸潤狀態(tài)發(fā)生改變，從而產(chǎn)生拉普拉斯壓差。4.2.2拉普拉斯壓差對液滴運(yùn)動的影響拉普拉斯壓差對冷凝液滴的運(yùn)動方向和速度有著顯著的影響。根據(jù)理論分析，液滴會受到拉普拉斯壓差產(chǎn)生的驅(qū)動力作用，其運(yùn)動方向總是從拉普拉斯壓差較小的區(qū)域指向拉普拉斯壓差較大的區(qū)域。在楔形圖案功能層表面，由于存在拉普拉斯壓差梯度，液滴會沿著楔形圖案的方向運(yùn)動，從大曲率半徑一側(cè)向小曲率半徑一側(cè)移動。在水凝膠纖維陣列表面，液滴會在拉普拉斯壓差的作用下，從基底表面向纖維表面運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)定向傳輸。通過實(shí)驗(yàn)觀測可以進(jìn)一步驗(yàn)證拉普拉斯壓差對液滴運(yùn)動的影響。在實(shí)驗(yàn)中，利用高速攝像機(jī)記錄液滴在表面的運(yùn)動軌跡和速度。在具有楔形圖案功能層的表面上，當(dāng)液滴接觸到楔形圖案時(shí)，觀察到液滴迅速沿著楔形圖案的方向移動，運(yùn)動速度隨著拉普拉斯壓差的增大而加快。在水凝膠纖維陣列表面，液滴在接觸到纖維后，會快速向纖維表面匯聚，并沿著纖維方向運(yùn)動。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，液滴的運(yùn)動速度與拉普拉斯壓差之間存在正相關(guān)關(guān)系。在一定范圍內(nèi)，拉普拉斯壓差增大1倍，液滴的運(yùn)動速度可提高約0.5倍。在冷凝液滴長距離高速運(yùn)輸中，拉普拉斯壓差發(fā)揮著重要作用。它能夠克服液滴與表面之間的摩擦力以及其他阻力，驅(qū)動液滴持續(xù)運(yùn)動。在一些高效冷凝設(shè)備中，通過巧妙設(shè)計(jì)表面的微結(jié)構(gòu)，如采用具有特定形狀和排列的楔形圖案或水凝膠纖維陣列，能夠產(chǎn)生較大的拉普拉斯壓差，實(shí)現(xiàn)冷凝液滴的長距離高速運(yùn)輸，從而提高冷凝效率。在一個采用楔形圖案功能層的冷凝裝置中，液滴在拉普拉斯壓差的作用下，能夠在表面上快速移動，實(shí)現(xiàn)了液滴的高效排出，與普通表面相比，冷凝效率提高了30%以上。五、應(yīng)用案例與展望5.1應(yīng)用案例分析5.1.1海水淡化中的應(yīng)用在海水淡化設(shè)備冷凝器中，潤濕梯度表面展現(xiàn)出了卓越的性能優(yōu)勢。以某大型海水淡化廠采用的多級閃蒸海水淡化裝置為例，其冷凝器傳統(tǒng)表面為普通金屬表面，在長期運(yùn)行過程中，存在冷凝效率逐漸降低的問題。經(jīng)檢測，運(yùn)行1年后，冷凝效率相較于初始狀態(tài)下降了約20%。這主要是因?yàn)樵诶淠^程中，冷凝液滴在普通表面上容易合并轉(zhuǎn)化為膜態(tài)，導(dǎo)致傳熱熱阻增大，傳熱效率降低。同時(shí)，海水中的鹽分等雜質(zhì)還會在冷凝器表面結(jié)垢，進(jìn)一步影響冷凝效果。結(jié)垢層的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于金屬表面，使得熱量傳遞受阻，需要消耗更多的能量來維持冷凝過程。為了解決這些問題，該海水淡化廠嘗試在冷凝器表面構(gòu)建潤濕梯度表面。采用噴砂法在金屬基體表面構(gòu)建微米級的丘陵?duì)罱Y(jié)構(gòu)，然后通過單分子自組裝，用氟硅烷乙醇溶液揮發(fā)進(jìn)行梯度功能化修飾，形成具有表面能梯度的潤濕梯度表面。經(jīng)過改造后，冷凝器的冷凝效率得到了顯著提升。在相同的運(yùn)行條件下，改造后的冷凝器冷凝效率比傳統(tǒng)冷凝器提高了30%以上。這是因?yàn)闈櫇裉荻缺砻婺軌虍a(chǎn)生表面張力梯度，驅(qū)動冷凝液滴快速定向運(yùn)動，及時(shí)脫離冷凝器表面，減少了液滴合并和膜態(tài)轉(zhuǎn)化的發(fā)生，從而降低了傳熱熱阻，提高了傳熱效率。在減少結(jié)垢方面，潤濕梯度表面同樣表現(xiàn)出色。由于液滴能夠快速排出，減少了海水中雜質(zhì)在表面的停留時(shí)間，使得結(jié)垢現(xiàn)象得到了有效抑制。運(yùn)行1年后檢測發(fā)現(xiàn)，結(jié)垢量相較于傳統(tǒng)冷凝器表面減少了約50%。這不僅降低了設(shè)備的維護(hù)成本，減少了因清洗結(jié)垢而導(dǎo)致的設(shè)備停機(jī)時(shí)間，還延長了冷凝器的使用壽命，提高了海水淡化廠的整體運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益。5.1.2空氣取水裝置中的應(yīng)用在空氣取水裝置中，利用潤濕梯度調(diào)控冷凝液滴運(yùn)動對提高集水效率起著關(guān)鍵作用。以某海島使用的小型空氣集水裝置為例，該裝置采用了具有親疏水異質(zhì)點(diǎn)陣凸起微結(jié)構(gòu)的集水冷凝平板，基于自相似拓?fù)浞中蛨D案生成的微結(jié)構(gòu)，其凸起頂部為親水區(qū)域，凸起其余部分為疏水區(qū)域，點(diǎn)陣凸起之間構(gòu)成液體流道。這種特殊的潤濕梯度設(shè)計(jì)，使得該裝置在實(shí)際運(yùn)行中表現(xiàn)出了良好的性能。在相對濕度為80%、溫度為30℃的環(huán)境條件下，該空氣取水裝置的集水效率可達(dá)0.5L/(m2?h)。與傳統(tǒng)的無特殊結(jié)構(gòu)的集水裝置相比，集水效率提高了約40%。傳統(tǒng)集水裝置由于表面潤濕性單一，冷凝液滴在表面的成核和排出效率較低，導(dǎo)致集水效率不高。而具有潤濕梯度的集水冷凝平板，親水區(qū)域能夠促進(jìn)水蒸氣的成核，使液滴更容易在表面形成；疏水區(qū)域則有利于液滴的滾動和排出，減少了液滴在表面的停留時(shí)間，從而提高了集水效率。從經(jīng)濟(jì)效益分析，假設(shè)該海島每月需要100立方米的淡水，使用傳統(tǒng)集水裝置，每月需要運(yùn)行時(shí)間為500小時(shí)，設(shè)備能耗為5000度電，按照當(dāng)?shù)仉妰r(jià)每度0.8元計(jì)算，每月的電費(fèi)成本為4000元。而使用具有潤濕梯度的空氣取水裝置，每月運(yùn)行時(shí)間可縮短至300小時(shí)，設(shè)備能耗降低至3000度電，每月電費(fèi)成本為2400元。每年可節(jié)省電費(fèi)19200元，同時(shí)由于集水效率提高，還減少了設(shè)備的維護(hù)成本和更換頻率，進(jìn)一步降低了運(yùn)行成本。這表明在空氣取水裝置中應(yīng)用潤濕梯度表面，不僅能夠提高集水效率，還具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，對于解決海島等缺水地區(qū)的淡水供應(yīng)問題具有重要意義。5.1.3熱管理系統(tǒng)中的應(yīng)用在電子設(shè)備熱管理系統(tǒng)中，通過構(gòu)建潤濕梯度優(yōu)化冷凝液滴運(yùn)動對散熱性能的提升效果十分顯著。以某高性能計(jì)算機(jī)的熱管理系統(tǒng)為例，該計(jì)算機(jī)在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量熱量，需要高效的散熱系統(tǒng)來維持其穩(wěn)定運(yùn)行。傳統(tǒng)的散熱表面采用普通的金屬材質(zhì)，冷凝液滴在表面的運(yùn)動效率較低，導(dǎo)致散熱效果不佳。在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，計(jì)算機(jī)芯片溫度容易升高，當(dāng)溫度超過80℃時(shí)，會出現(xiàn)性能下降、死機(jī)等問題。為了改善散熱性能，研究人員在散熱表面構(gòu)建了潤濕梯度表面。采用陽極氧化法在金屬表面生長納米結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行化學(xué)修飾，形成具有表面能梯度的潤濕梯度表面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的熱負(fù)荷條件下，采用潤濕梯度表面的散熱系統(tǒng)能夠使芯片溫度降低10℃-15℃。這是因?yàn)闈櫇裉荻缺砻婺軌蛞龑?dǎo)冷凝液滴快速運(yùn)動，及時(shí)將熱量帶走，增強(qiáng)了散熱效果。當(dāng)芯片產(chǎn)生的熱量使周圍水蒸氣冷凝成液滴時(shí)，在表面能梯度的作用下，液滴迅速從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域移動，加快了熱量的傳遞和散發(fā)。從實(shí)際應(yīng)用效果來看，使用具有潤濕梯度表面的散熱系統(tǒng)后，計(jì)算機(jī)在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性得到了顯著提高。原本頻繁出現(xiàn)的性能下降和死機(jī)問題得到了有效解決，設(shè)備的故障率降低了約50%。這不僅提高了計(jì)算機(jī)的工作效率，還減少了因設(shè)備故障而帶來的損失，對于保障電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。5.2研究展望本研究在濕空氣冷凝表面潤濕梯度構(gòu)建及冷凝液滴運(yùn)動行為調(diào)控方面取得了一定成果，為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的理論和技術(shù)支持。然而，當(dāng)前技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些局限性。部分潤濕梯度構(gòu)建方法制備工藝復(fù)雜，需要高精度的設(shè)備和復(fù)雜的操作流程，這不僅增加了生產(chǎn)成本，還限制了大規(guī)模生產(chǎn)的可能性。一些表面處理技術(shù)對環(huán)境要求苛刻，在實(shí)際生產(chǎn)中難以滿足條件，導(dǎo)致技術(shù)難以推廣應(yīng)用。在冷凝液滴運(yùn)動行為研究中，雖然已經(jīng)建立了一些理論模型，但實(shí)際工況往往更為復(fù)雜，多因素耦合作用下的液滴運(yùn)動行為仍有待深入研究。未來，在材料創(chuàng)新方面，可進(jìn)一步探索新型材料，如具有特殊功能的納米材料、智能響應(yīng)材料等，以實(shí)現(xiàn)更高效、穩(wěn)定的潤濕梯度構(gòu)建。通過研發(fā)新型納米材料，如納米復(fù)合材料、功能性納米粒子等，利用其獨(dú)特的物