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杨荣贵教授团队Joule:高效稳定的液滴弹离冷凝传热,Science网站也关注

近期,美国科罗拉多大学博尔德分校(University of Colorado Boulder)机械工程系的杨荣贵教授(点击查看介绍)研究团队发表在Joule 杂志上的一篇高效稳定的液滴弹离冷凝传热文章,引起了Science 网站的关注,并专门制作新闻视频进行推介。


视频来源:Science


蒸汽冷凝现象普遍地存在于自然界与日常生活中,同时作为高效的相变传热形式也被广泛地应用于石油化工、热电厂、核工业、水淡化与回收、集成电子器件热控制等工业系统中。因此,开发高效的冷凝传热强化技术对于解决高热流散热和降低能源消耗均具有极其重要的意义。通过控制表面结构和润湿性来调节冷凝液行为是实现蒸汽冷凝传热强化的主要途径。与蒸汽在亲水表面的膜状冷凝相比,疏水表面上的滴状冷凝模式具有高出一个数量级的传热效率。如何实现冷凝液滴的快速生长和脱离成为了过去几十年来许多研究者的重要目标。具有微纳米结构的超疏水表面有超高的水滴静态接触角和极低的接触角滞后,这使得水滴极易从表面滑落,即“荷叶效应”。更为有趣的是,超疏水表面上小液滴之间的合并可以诱发液滴自发弹离表面,大大地减小了液滴脱落尺寸,从而为蒸汽冷凝传热强化提供了新思路。然而,在高热通量(大过冷度)的蒸汽冷凝条件下,几乎目前所有的微纳米结构超疏水表面的“荷叶效应”均失效,即液滴的润湿状态从悬挂在结构上的Cassie模式转变为陷在结构内的Wenzel模式,这严重制约了超疏水表面在强化冷凝传热中的应用与推广。


最近,杨荣贵教授研究团队通过控制冷凝液滴的初始成核,首次在三维铜纳米线结构超疏水表面上实现了高效且稳定的液滴弹跳冷凝传热。为了防止冷凝液滴“钉在”微纳米结构内部引起的超疏水性失效,该研究提出了通过减小纳米线结构间隙来降低结构内部蒸汽密度并提高蒸汽在结构内的成核能垒,促进蒸汽在纳米结构顶部成核生长,形成悬挂在结构顶部的Cassie模式的液滴。随着液滴的进一步生长,通过合并自发弹离冷凝表面。本研究首先利用阳极氧化法在低纯度(<99.5%)铝片上制备了具有三维纳米孔道的氧化铝模板,结合此模板利用电镀方法在铜基表面制备了三维铜纳米线,进一步采用全氟硅烷对纳米线进行修饰改性来提高表面疏水性能(图1)。与其他的微纳米结构表面相比,该三维铜纳米线结构表面具有以下明显的优势:1)紧密排列的纳米线之间的连接点可以进一步降低蒸汽进入纳米线间隙,从而阻止蒸汽在结构内部成核;2)纳米线上的凸起点可以支撑相邻的纳米线,防止顺直纳米线表面出现的纳米线间聚集引起的微尺度缺陷;3)纳米线间的连接点可以提高铜纳米线层的固相分率,进而降低纳米结构层引起的附加热阻。

图1. 顺直铜纳米线结构与三维铜纳米线结构表面形貌


蒸汽冷凝传热实验在竖直安装的冷凝表面上进行(图2A)。与光滑疏水表面上依靠重力脱落的常规滴状冷凝相比(图2B),顺直的铜纳米线结构超疏水表面在低过冷度(2 K)下可以促进液滴合并弹跳,而随着表面过冷度增加(21 K),大量冷凝液滴在纳米簇间的微缺陷成核,伴随着液滴的快速生长合并,形成了“钉在”纳米结构表面的大液滴,显著地增加了蒸汽冷凝热阻(图2C)。对于三维铜纳米线结构表面(图2D),在整个实验过冷度范围内(2-28 K),液滴保持稳定的自发弹跳脱离模式,大大地提高了表面更新频率。

图2. 不同表面过冷度下三种冷凝表面上液滴动态行为的对比


通过定量地对比不同过冷度条件下的冷凝液滴行为可以发现(图3),三维铜纳米线结构超疏水表面在整个实验过冷度范围内能够保持非常小的脱落半径(< 300 μm)和极低的表面液滴覆盖率(< 30%)。这些改善的冷凝液滴特性显著地提高了三维铜纳米线结构超疏水表面的更新频率,提供了更多的“新鲜”表面区域实现蒸汽快速冷凝。

图3. 冷凝表面上液滴脱离半径和表面覆盖率的定量对比


蒸汽冷凝传热实验结果表明,与疏水表面上的滴状冷凝传热相比,三维铜纳米线结构超疏水表面在高达28 K的过冷度范围内实现了100%的冷凝传热强化(图4)。

图4. 三维铜纳米线结构超疏水表面强化蒸汽冷凝传热性能


该成果近期发表在著名学术出版社Cell Press新发行的能源领域的旗舰刊物Joule 上,文章的第一作者是美国科罗拉多大学博尔德分校的温荣福博士,通讯作者为杨荣贵教授。合作作者为杨荣贵团队刚刚博士毕业的徐珊珊,和与杨荣贵团队长期合作的大连理工大学马学虎教授和科罗拉多大学李永正教授。李永正教授和杨荣贵教授是开文热工(http://kelvinthermal.com)的共同创始人。


该论文作者为:Rongfu Wen, Shanshan Xu, Xuehu Ma, Yung-Cheng Lee, and Ronggui Yang

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Three-Dimensional Superhydrophobic Nanowire Networks for Enhancing Condensation Heat Transfer

Joule, 2017, DOI: 10.1016/j.joule.2017.11.010


Science杂志报道:

Watch water droplets literally jump off a 'water-hating'material

Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aar8086

http://www.sciencemag.org/news/2017/12/watch-water-droplets-literally-jump-water-hating-material


蒸汽冷凝环境中微纳米结构超疏水性失效机制的相关文章:

Rongfu Wen, Zhong Lan, Benli Peng, Wei Xu, Ronggui Yang, and Xuehu Ma, Wetting Transition of Condensed Droplets on Nanostructured Superhydrophobic Surfaces: Coordination of Surface Properties and Condensing Conditions, ACS Applied Materials and Interfaces, 2017, 9: 13770-13777.


利用纳米线结构表面强化蒸汽冷凝传热性能的相关文章:

Rongfu Wen, Qian Li, Jiafeng Wu, Gensheng Wu, Wei Wang, Yunfei Chen, Xuehu Ma, Dongliang Zhao, and Ronggui Yang, Hydrophobic Copper Nanowires for Enhancing Condensation Heat Transfer, Nano Energy, 2017, 33: 177-183.


Rongfu Wen, Shanshan Xu, Dongliang Zhao, Yung-Cheng Lee, Xuehu Ma, and Ronggui Yang, Hierarchical Superhydrophobic Surfaces with Micropatterned Nanowire Arrays for High-Efficiency Jumping Droplet Condensation, ACS Applied Materials and Interfaces, 2017, 9: 44911-44921.


导师介绍


杨荣贵,科罗拉多大学机械工程系终身正教授,于1996年获得西安交通大学电厂热能工程学士学位,1999年获得清华大学工程热物理硕士学位后赴美留学,2001年获得加州大学洛杉矶分校微机电系统工程硕士学位后转学麻省理工学院机械工程系,师从陈刚教授和Mildred S. Dresselhaus教授,于2006年2月获得工学博士学位,2006年1月起任职于科罗拉多大学博尔德分校,2011年提前两年晋升副教授(终身教席),于2016年晋升正教授。


杨荣贵博士的研究成果已获得许多国际奖项,如2004年美国国家航空和宇宙航行局技术创新奖、2005年国际热电学会戈德史密斯奖、2008年美国国防部高等研究局青年教师奖、2008年名列麻省理工学院出版的《科技评论》中35岁以下的35位“世界顶级青年创造者榜”(TR35)、2009年美国国家科学基金会的教授职业奖、2010年美国机械工程师学会的传热学青年研究奖、2014年国际热电学会青年研究奖、2015 年美国机械工程师学会士。


杨荣贵博士已发表包括1篇Science、3篇Nature Materials、多篇Advanced Materials 在内的130多篇期刊论文,并参与约100个特邀讲座。他的论文SCI引用5700次(H指数34),谷歌学术搜索引用9000次(H指数44)。他拥有15项已审批和待批发明专利,也是两个科技新创公司(Kelvin Thermal Technologies Inc和Radi-Cool Inc)的共同创始人。他还兼任美国机械工程师学会能源和可持续发展纳米技术指导委员会主席(2014-2016年)和美国机械工程师学会传热部纳米传热学委员会主席(2015-2017年)。


http://www.x-mol.com/university/faculty/46695


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