《超疏水表面上冷凝液滴发生弹跳的机制与条件分析》.pdfVIP

物理化学学报 ( f，fHuaxueXuebao) 1206 Acta ．一Chim．Sin．2012，28(5)，1206—1212 May [Article】 doi：10．3866／PKU．WHXB201202293 w、Ⅳ、v．whxb．pku．edu．crl 超疏水表面上冷凝液滴发生弹跳的机制与条件分析 刘天庆 孙 玮 孙相或 艾宏儒 (大连理工大学化工学院，辽宁大连 116024) 摘要： 使用液滴合并前后的体积和表面 白山能守恒作为两个限制条件，确定了合并液滴的初始形状，即为偏 离平衡态的亚稳态液滴，具有缩小其底半径而向平衡态液滴转变的推动力．进而分析了液滴变形过程中的推动 力和三相线(TPCL)上的滞后阻力，建立了液滴变形的动态方程并进行了差分求解．如果液滴能够变形至底半 径为0mm的状态，则根据该状态下液滴重心上移的速度确定液滴的弹跳高度．不同表面上冷凝液滴合并后的 变形行为的计算结果表明，光滑表面上的液滴合并后，液滴只能发生有限的变形，一般都在达到平衡态之前就 停止了变形，因此冷凝液滴不会发生弹跳：粗糙表面上的Wenzel态液滴的三相线上的滞后阻力更大，因而液滴 更难以变形和弹跳：具有微纳二级结构表面上只润湿微米结构，但不润湿纳米结构的部分Wenzel态液滴能够 变形至Cassie态，但没有明显的弹跳：只有在纳米或微纳二级结构表面上的较小Cassie态液滴合并后，液滴易 于变形至底半径为0mm的状态并发生弹跳．因此，Cassie态合并液滴处于亚稳态，并且其三相线上的移动阻 力很小，是导致冷凝液滴弹跳的关键因素． 关键词： 超疏水表面：纳米：微纳二级结构：冷凝：液滴变形： 弹跳：机理：模型 中图分类号： 0647 Mechanism andConditionAnalysisofCondensedDropJumpingon Super-HydrophobicSurfaces LIUTian—Qing SUNWei SUNXiang—Yu AIHong—Ru fSchoolofChemicalEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024，LiaoningProvince， RChina) Abstract： TheinitiaIshapeofacoalesceddropisdeterminedbytheconservationofdropvolumeandthe surfacefreeenergY beforeandaftertwo ormore condensed dropsmerge．The coalesced drop isjn a metastablestatewitha drivingforcetoreduceitsbaseradiustowardequilibrium state．Thisdrivingforce andresistanceonthethree．phasecontactIine(TPCL)areanalyzedduringdroptransformation．Adynamic equationdescribingtheshapeconversionofthedropisproposedandsolved．Thejumpingheightofa mergeddropisdeterminedbythespeedatwhichthecenferofgravitymovesupwhenthebaseradiusof thedropreducesto0mm onasuper_hydrOphObicsurface．Calculationsshow thatacoalesceddro