胡均宜,胡定华,金 铭,刘锦辉

(南京理工大学 电子设备热控制工信部重点实验室,江苏 南京 210094)

纳米流体是将一种或多种纳米级别的颗粒加入基液中振荡分散后形成的稳定的混合液[1]。由于纳米颗粒的加入,纳米流体相比基液的物理性质会发生变化,如粘度、导热系数、表面张力等[2,3],因此纳米流体液滴蒸发不仅在化工、电子散热等领域有重要应用,而且在生物、医疗、光电材料制备等方面也有重要应用前景[4,5]。纳米流体液滴的蒸发特性较为复杂,不仅涉及到气液相变和微流动,还涉及到颗粒在基板表面沉积等过程[6,7],吸引了较多学者的研究。

Picknet和Bexon[8]研究表明,固着液滴蒸发分为固定接触角与固定接触线两种模式。固定接触角模式下的蒸发,接触线会在基板上滑移,接触角保持不变;固定接触线模式下的蒸发,接触半径保持不变,接触角随时间减小。Hu与Larson[9]采用有限元法(Finite element method,FEM)对玻璃基板上的蒸发水滴进行了理论研究。结果表明初始接触角较小(<40°)的液滴,其蒸发速率与接触半径有关,而与接触角关系不大,基本保持恒定。Chandra等[10]研究了接触角对加热底板上水滴的蒸发影响,结果表明体积一定的条件下,减小接触角能增大接触面积,并减小液滴厚度,增加液滴热传导,最终提高蒸发速率。张凯等[11]研究了基底厚度对蒸发液滴表面温度分布的影响,利用数值方法,发现了随着基底厚度的改变,液滴表面出现3种温度分布模式。于应松等[12]研究了表面为PDMS的固着液滴蒸发,并模拟了固着水滴引起的PDMS表面变形。以上主要是针对纯水液滴展开的研究,而纳米流体液滴蒸发的相关研究更为复杂。Sefiane等[13]通过实验对比了不同环境温度中Cytop和Teflon底板上乙醇和去离子水为基液,TiO2与 Al2O3为纳米粒子制成的纳米流体液滴的蒸发及润湿过程,得到温度及浓度对最终粒子沉积的影响。张文彬等[14]通过对SiO2胶体液滴蒸发干燥沉积过程的观察,发现液滴接触线的钉扎是最终形成环状沉积物的必要条件。纳米流体液滴的蒸发机理较纯水液滴而言,相关研究较少。

目前对纳米流体液滴蒸发特性的实验研究,主要将重点放在纳米流体液滴接触角、接触半径、整体平均蒸发速率以及蒸发粒子沉积等参数特性上,对瞬态蒸发速率特性的研究尚不清晰[15]。本文采用可视化实验研究了水基CuO、Al2O3纳米流体液滴在加热基板上的蒸发过程,分析了液滴蒸发过程中接触角、接触半径、液滴体积等形态参数随时间变化关系,与纯水蒸发进行对比,分析了纳米颗粒质量分数、基板加热温度对纳米流体液滴瞬态蒸发速率的影响规律,探讨了相关机理。……