冷凝微滴自驱动微纳多级结构的超快激光定向电结晶复合制造技术研究
批准号:
51805093
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
27.0 万元
负责人:
龙江游
依托单位:
学科分类:
加工制造
结题年份:
2021
批准年份:
2018
项目状态:
已结题
项目参与者:
何志健、周培阳、周彩霞、严焕贵
中文摘要
高效相变热控系统是满足小面积、大热流密度散热、均热需要的最佳解决方案。凝结过程是工质相变的核心过程,直接决定了相变热控系统的整体换热能力。具有微纳复合结构的超疏水表面在前期研究中展现出了极佳的滴状凝结潜力,可以成倍提高凝结过程的热效率。但是现有方法制造的表面微结构对冷凝液滴的驱动力不强,无法在高蒸汽饱和度下维持滴状凝结。.基于前期实验和理论探索,本项目拟设计和制造一种具有冷凝微滴自驱动特性的微纳多级结构,增强表面结构对冷凝液滴的驱动力,获得持续的超细滴状凝结过程。本项目围绕微纳尺度结构对多尺度冷凝液滴的迁移与融合行为的影响机制、超快激光诱导表面形貌/缺陷/成分对定向电结晶形核生长/液相传质等过程的影响机制等关键科学问题,深入研究锥状微纳多级结构的复合制造方法,及这种微观表面的凝结与液滴迁移行为。项目成果可以为新一代高效相变热控器件寻求新的思路和技术解决方案,具有重要的科学和应用价值。
英文摘要
High-performance phase transition thermal control system is the best solution for the thermal dissipation and homogenization of situations with small area and high heat flux density. Condensation is the key process in phase transition, and decides the overall heat transfer capacity of phase transition thermal control system directly. Superhydrophobic surfaces with hierarchical micro/nano structures show excellent potential of dropwise condensation in previous studies, which can greatly enhance the heat transfer efficiency of condensation. However, the driving force to condensate droplets of present microstructures is not high enough to maintain the dropwise condensation under high vapor saturation.. Based on our preliminary experiment and theoretical exploration, this project is intended to design and manufacture a kind of multilevel micro/nano structures with the self-propelling property to condensate micro-drops, which can enhance the driving force to condensate droplets and achieve continuous dropwise condensation. The key scientific problems in this project are the influencing mechanism of surface micro/nano structures to the migration and coalesce of condensate droplets, and the influencing mechanism of ultrafast laser-induced surface morphology, defects and composition to the nucleation and growth of crystallization and liquid mass transfer during the directional electro-crystallization. Starting with these basic scientific problems, this project will in-depth study the fabrication method of cone-shaped multilevel micro/nano structures, and the condensation and droplet migration on these microstructures. The project outcome can provide new ideas and solutions for the development of the new generation phase transition thermal control system, and have both values in science and industry.
超疏水表面展现出极佳的滴状凝结潜力,可以成倍提高凝结过程的热效率。但是现有方法制造的表面微结构对冷凝液滴的驱动力不强,无法在高蒸汽饱和度下维持滴状凝结。针对上述难题,本项目探索通过超快激光定向电结晶复合制造技术制备一种具有冷凝微滴自驱动特性的锥状微纳多级结构,增强表面微结构对冷凝液滴的驱动力,大幅减少不同尺度液滴的固液接触面积,在高蒸汽饱和度下获得持续的滴状凝结过程。项目从三个方面开展了理论和实验研究:1、微尺度液滴迁移行为;2、微纳多级结构的复合制造机理与方法;3、微纳多级结构的沸腾凝结特性。项目研究发现,“跳滴”现象主要源于液滴合并时表面能的释放,受到惯性力、粘性力和固液粘附力影响。在无固液粘附条件下,可通过“跳滴”现象离开表面的液滴理论直径为0.60-3.16 μm。实际的临界直径主要受固液粘附状态影响。纳米锥状结构由于具有较低的固液接触面积,有助于微小液滴的“跳离”。高蒸汽饱和度下,液滴快速生长而来不及“跳离”,液滴主要通过滚动离开表面,微米锥状结构有助于减小大尺度液滴的滚动阻力。超快激光定向电结晶复合制造技术是制备锥状微纳双级结构的有效手段。电结晶过程主要分为四个阶段,锥状结构的形成与镍离子催化形成的多晶种子层和后期晶体生长过程中结晶调整剂的吸附和增稠作用有关。由于尖端放电效应,超快激光加工的表面微米结构会影响纳米锥状结构的分布。而超快激光加工形成的表面纳米结构和氧化物层都会阻碍种子层的形成。沸腾和凝结研究表明,锥状微纳双级结构可有效增加沸腾过程中的气泡脱离和液体输运,以及凝结过程中的液滴脱离。相较于平板表面,其临界热流密度和表面换热系数可提高一倍以上,而凝结换热系数可提高101%。本项目揭示了锥状微纳双级结构的形成机理和微尺度液滴的迁移特点,有助于功能微纳结构在高效换热器件领域的实际应用。
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Enhancing the Long-Term Robustness of Dropwise Condensation on Nanostructured Superhydrophobic Surfaces by Introducing 3D Conical Microtextures Prepared by Femtosecond Laser
通过引入飞秒激光制备的 3D 圆锥形微观纹理来增强纳米结构超疏水表面上滴状冷凝的长期鲁棒性
DOI:
10.1002/admi.202000997
发表时间:
2020-09-13
期刊:
ADVANCED MATERIALS INTERFACES
影响因子:
5.4
作者:
[Long, Jiangyou, Zhou, Peiyang, Xie, Xiaozhu]
通讯作者:
Xie, Xiaozhu
A new monitoring method for metal rust removal states in pulsed laser derusting via acoustic emission techniques
声发射技术监测脉冲激光除锈金属除锈状态的新方法
DOI:
10.1016/j.jmatprotec.2019.116321
发表时间:
2020
期刊:
Journal of Materials Processing Technology
影响因子:
6.3
作者:
[Xie Xiaozhu, Huang Qingpeng, Long Jiangyou, Ren Qinglei, Hu Wei, Liu Shuai]
通讯作者:
Liu Shuai
Formation mechanism of hierarchical Micro- and nanostructures on copper induced by low-cost nanosecond lasers
低成本纳秒激光诱导铜上分级微纳米结构的形成机制
DOI:
10.1016/j.apsusc.2018.09.055
发表时间:
2019-01-15
期刊:
APPLIED SURFACE SCIENCE
影响因子:
6.7
作者:
[Long, Jiangyou, Cao, Zuo, Xie, Xiaozhu]
通讯作者:
Xie, Xiaozhu
Capturing the final stage of the collapse of cavitation bubbles generated during nanosecond laser ablation of submerged targets
捕捉水下目标纳秒激光烧蚀过程中产生的空化气泡破裂的最后阶段
DOI:
10.1016/j.optlastec.2020.106647
发表时间:
2021-02
期刊:
Optics and Laser Technology
影响因子:
5
作者:
[Long Jiangyou, Eliceiri Matthew H., Wang Letian, Vangelatos Zacharias, Ouyang Yuexing, Xie Xiaozhu, Zhang Yongkang, Grigoropoulos Costas P.]
通讯作者:
Grigoropoulos Costas P.
Antireflective copper surfaces fabricated by low-cost nanosecond lasers for efficient photothermal conversion and desalination(JCR二区, IF=1.6)
由低成本纳秒激光器制造的抗反射铜表面,用于高效光热转换和海水淡化
DOI:
10.2351/1.5096766
发表时间:
2019
期刊:
Journal of Laser Applications
影响因子:
2.1
作者:
[He Zhijian, Xie Xiaozhu, Long Jiangyou]
通讯作者:
Long Jiangyou
共 20 条
IC载板开路缺陷激光转移重熔修补中的界面与组织调控工艺与机理
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批准号:52475437
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项目类别:面上项目
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资助金额:48.00万元
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批准年份:2024
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负责人:龙江游
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依托单位:
碳化硅晶圆动态时域调制超快激光低损加工协同高效平坦化技术研究
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批准号:--
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项目类别:省市级项目
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资助金额:10.0万元
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批准年份:2022
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负责人:龙江游
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依托单位:
国内基金
海外基金