液滴撞擊超疏水冷表面的反彈/黏附特性對比研究*

姚一娜，劉 呈，李 聰，楊 銳

(1.中國電子科學研究院，北京 100041；2.中國礦業大學(北京) 應急管理與安全工程學院，北京 100083；3.清華大學 工程物理系,北京 100084)

0 引言

表面溫度影響液滴撞擊固體表面動力學過程。當表面溫度足夠低，液滴凍結沉積，給輸電線路、巡航飛機安全穩定運行造成嚴重威脅[1-3]。因此,深入研究液滴撞擊固體冷表面意義重大。

針對液滴撞擊固體表面影響因素研究主要包括表面結構和表面溫度[4-10]：Mishchenko等[11]開展液滴撞擊超疏水傾斜冷表面實驗發現，液滴出現反彈現象；Bahadur等[12]發現固體表面結構、化學性質及熱力學性質會影響冰珠形成過程；Jung等[13]發現固體表面粗糙度對液滴結冰過程影響顯著；Remer等[14]研究不同工況下液滴撞擊不同潤濕性表面結冰行為發現，高濕度和低溫條件下，液滴在超疏水表面依然不結冰。

開展液滴撞擊超疏水冷表面可視化觀測實驗，觀察液滴撞擊出現反彈與黏附2種響應方式，分析表面溫度對撞擊動力學過程影響，為表面結冰界面現象與防冰/除冰機理研究提供參考。

1 實驗方法

1)超疏水表面制備與表征

本文采用CuO超疏水表面，以銅片為基底，通過氧化法構建CuO納米結構，經氟化修飾處理CuO超疏水表面[15-16]。具體加工工藝包括銅片預處理、化學氧化、疏水化處理，超疏水表面SEM結構如圖1所示。采用接觸角測量儀DSA25測量超疏水表面靜態接觸角169°、前進接觸角171°、后退接觸角167°，說明該表面具有良好超疏水性。

圖1 CuO納米結構掃描電鏡圖(SEM)Fig.1 SEM of CuO nanostructures

2)實驗裝置與方法

實驗裝置如圖2所示。滴液系統采用KRUSS DSA25接觸角測量儀，高速攝像系統釆用PCO-12000 hs高速攝像儀，幀率4 000 幀/s，分辨率1 280×1 024。制冷系統采用KRUSS-TC40溫控箱，內徑110 mm×105 mm×65 mm。為避免固體表面水蒸氣冷凝現象，在溫控箱降溫前通入高純N2，實驗結束后停止通入N2。

圖2 實驗裝置Fig.2 Schematic diagram of experimental device

分析撞擊前液滴圖像，得到液滴等效直徑D0為2.45 mm±0.01 mm。通過計算液滴碰撞在固體表面時刻位移，得到液滴從100 mm高度下落時碰撞速度U0為1.39 m/s±0.01 m/s。實驗采用去離子水，環境溫度保持25 ℃，環境濕度25.0%±1.0%。CuO超疏水表面溫度Tw分別為25，-10，-15，-20，-25，-30，-35，-40 ℃。

2 結果與討論

2.1 液滴撞擊超疏水冷表面的反彈與黏附響應方式

-10℃超疏水冷表面液滴撞擊運動過程如圖3所示。液滴等效直徑2.45 mm，碰撞速度1.39 m/s。液滴撞擊超疏水冷表面的反彈與黏附響應方式指：液滴撞擊表面后，在慣性力作用下以碰撞點為中心向四周鋪展，且液滴鋪展直徑逐漸增大；液滴開始向中心回縮，呈下寬上窄形狀；在12.63 ms時，液滴成功克服界面黏附力，徹底反彈脫離冷表面，離開冷表面的液滴繼續上升，在空中分成2個小液滴，最終液滴靜止在冷表面上。由圖3可知，-10 ℃超疏水冷表面液滴撞擊全過程未發生凍結，表明液滴在冰核形成之前就反彈脫離表面；此外，液滴在脫離表面瞬間沒有出現拖曳現象，說明表面溫度為-10 ℃時，該表面具備良好非黏超疏水性能。

圖3 -10 ℃超疏水冷表面液滴撞擊過程Fig.3 Rebound behavior of droplet impacting superhydrophobic cold surface with -10 ℃

-30℃超疏水冷表面液滴撞擊運動過程如圖4所示。與-10 ℃超疏水冷表面不同，液滴回縮后僅有部分液滴彈起，并最終在冷表面凍結。液滴達到最大鋪展狀態時，最大鋪展直徑約6.33 mm，與圖3基本一致，說明超疏水冷表面溫度對液滴撞擊后鋪展階段基本沒有影響。在液滴回縮過程中，鋪展直徑不再發生變化，因為液滴與冷表面接觸部分發生凍結并黏連在表面上；此時，液滴上部未凍結部分仍處于非平衡狀態，在表面張力作用下具有上升趨勢，并最終在慣性力作用下克服表面張力，脫離主液滴，形成衛星液滴；而主液滴在冷表面上持續振蕩，最終達到穩定潤濕狀態。綜上，在-30 ℃超疏水冷表面，液滴還沒有完全脫離表面時就形成結冰冰核，導致液滴底部黏連在冷表面上。

圖4 -30 ℃超疏水冷表面液滴撞擊過程Fig.4 Adhesion phenomenon of droplet impacting superhydrophobic cold surface with -30 ℃

由圖3～4可知，隨超疏水冷表面溫度降低，液滴碰撞過程中冰核形成速度加快。當冰核形成時間早于液滴反彈脫離表面時間，液滴底部發生相變結冰，黏附在冷表面上。

2.2 液滴撞擊不同溫度超疏水冷表面動力學行為

對所有工況實驗現象統計分析發現，液滴撞擊超疏水表面出現反彈與黏附2種響應行為，如圖5所示。由圖5可知，當表面溫度處于-20 ℃～25 ℃之間，液滴撞擊超疏水冷表面后完全反彈脫離表面，原因是：1)液滴在超疏水冷表面上異相成核能壘較高，可有效抑制冰核形成。2)由于超疏水表面具有極強憎水性，液滴運動過程中動態接觸角較大，可加速脫離表面。上述2個原因使液滴撞擊超疏水冷表面后，能夠克服冷表面與液滴之間黏附力反彈脫離表面，并且整個過程中不發生凍結。

圖5 液滴撞擊不同溫度超疏水表面的反彈與黏附響應方式Fig.5 Rebound and adhesion response modes of droplet impacting superhydrophobic cold surfaces with different temperatures

當表面溫度處于-40 ℃～-25 ℃，液滴最終均會凍結黏附在固體表面，因為液滴與冷表面接觸一定時間，固-液界面處形成冰核，觸發液滴結冰現象。當表面溫度由-25 ℃降至-40 ℃，主液滴頂部能達到最大高度呈逐漸減小趨勢，依次為14.9，8.6，5.5，3.1 mm，隨表面溫度降低，液滴在冷表面結冰速率加快，使液滴未凍結部分剩余動能急劇減小，導致主液滴回縮最大高度減小。

綜上，各實驗工況液滴撞擊超疏水冷表面發生反彈的臨界表面溫度介于-25 ℃～-20 ℃之間，若更換表面材料結構種類，該臨界溫度范圍可能發生變化。2種響應方式主要取決于液滴與冷表面接觸時間和冰核形成延遲時間相對快慢。

2.3 表面溫度對接觸時間與反彈高度影響

超疏水表面在不同溫度條件下液滴鋪展直徑變化如圖6所示。液滴撞擊表面后迅速鋪展，在2 ms～3 ms內達到最大鋪展直徑，并且無量綱最大鋪展直徑數值與超疏水表面溫度基本無關，均穩定在2.5 mm左右，鋪展時間基本一致，表明超疏水表面溫度對液滴運動基本沒有影響。

圖6 超疏水表面在不同溫度條件下液滴鋪展直徑變化Fig.6 Change of spreading diameters of droplet impacting superhydrophobic cold surfaces with different temperatures

在液滴發生反彈響應行為的4種工況(25，-10，-15,-20 ℃)中，液滴鋪展直徑達到最大值后逐漸減小至0，說明液滴已完全反彈脫離表面。隨表面溫度降低，液滴與表面接觸時間延長。

在液滴發生黏附響應行為的4種工況(-25，-30，-35，-40 ℃)中，液滴鋪展直徑達到最大值后逐漸減小直至趨于穩定。冷表面溫度越低，液滴回縮程度越小，穩定鋪展直徑越大。其中，-40 ℃超疏水冷表面液滴鋪展結束后，基本沒有回縮行為，這是由于表面溫度過低，液滴在鋪展瞬時即與表面發生成核結冰，無法回縮。

定義液滴反彈脫離表面后其底端距表面距離為反彈高度。液滴撞擊不同溫度(25，-10，-15，-20 ℃)超疏水表面反彈高度如圖7所示。由圖7可知，隨表面溫度降低，液滴最大反彈高度顯著降低，并且從反彈瞬間(t=0 ms)到再次回到表面時間間隔縮短。隨表面溫度降低，液滴與冷表面接觸時間增加，溫度持續降低，液滴內部及界面黏性耗散更大，導致液滴反彈時初始動能更小，即最大反彈高度更小。

圖7 液滴撞擊不同溫度超疏水表面反彈高度Fig.7 Rebound heights of droplet impacting superhydrophobic cold surfaces with different temperatures

由圖7可知，液滴反彈高度發生不規則波動，原因是液滴在空中以自身蠕動方式運動，即液滴在空中形態不斷發生變化，而本文定義的反彈高度是液滴底端距表面距離，所以圖中反彈高度發生不規則波動是合理的。

本文通過實驗方法研究液滴撞擊超疏水冷表面動力學特性，系統分析表面溫度對液滴反彈與黏附2種響應方式的影響。研究結果可為預防低溫環境雨水凍結沉積災害提供理論依據，具有重要意義。

3 結論

1)液滴撞擊超疏水冷表面發生反彈與黏附2種響應行為；對于CuO超疏水表面，當表面溫度大于-20 ℃時，液滴撞擊后反彈脫離表面；當表面溫度小于-25 ℃時，液滴黏附在表面，表明決定液滴響應方式的臨界表面溫度介于-25 ℃～-20 ℃之間。

2)在液滴發生反彈響應行為的4種工況中，無量綱最大鋪展直徑與表面溫度基本無關，鋪展時間基本一致；隨表面溫度降低，液滴與表面接觸時間增加，液滴最大反彈高度減小。

3)在液滴發生黏附響應行為的4種工況中，隨表面溫度降低，液滴回縮程度減小，穩定鋪展直徑增大；冷表面溫度對最大鋪展直徑和鋪展時間均無影響。