Didelio masto mikrolašelių rinkinys, kondensuotas garų pavidalu ant tinklelio tinklelio mokslinės ataskaitos

Didelio masto mikrolašelių rinkinys, kondensuotas garų pavidalu ant tinklelio tinklelio mokslinės ataskaitos

Anonim

Dalykai

  • Faziniai perėjimai ir kritiniai reiškiniai
  • Paviršiai, sąsajos ir plonos plėvelės

Anotacija

Mes sukūrėme naują mikro-lašelių matricos sistemą, kuri remiasi skirtinga trijų matmenų ekrano struktūra ir sukepinimo bei oksidacijos sukeltomis šiluminio skysčio savybėmis. Tinklinis tinklelis buvo sukepintas ant vario pagrindo, sujungiant abu komponentus. Netolygus likučių įtempis susidaro išilgai ataudų laidų, o audinių vielos viršutinėje vietoje yra didesnis įtempis nei kitur. Dėl įtemptos korozijos mechanizmo sukepinto paketo oksidacija suformuoja mikro duobes su keliomis nanodalelėmis ataudų vielos viršuje. Nanodangos auga kitur, kad parodytų hidrofobinį elgesį. Tokiu būdu susidaro paviršiniai energijos gradiento ataudų laidai. Aušindami struktūrą drėgno oro aplinkoje, vandens lašeliai paverčia ataudų vielos viršutinę vietą, kuri yra labiau „hidrofilinė“ nei kitur. Lašelių dydį gerai kontroliuoja substrato temperatūra, oro drėgmė ir aušinimo laikas. Kadangi metmenų laidai nesiliečia su vario substratu, o tarp metmenų vielos ir ataudų vielos yra didesnis laidus šiluminis pasipriešinimas, metmenų viela mažiau prisideda prie kondensacijos, tačiau veikia kaip atraminė struktūra. Lašelių išilgai ataudų vielos paviršiaus energijos analizė paaiškina, kodėl tinklelio ekrane gali būti sukurtas lašelių rinkinys. Kadangi naudojama komercinė medžiaga, lašelių sistema yra ekonomiška ir gali būti naudojama didelio masto utilizavimui.

Įvadas

Mikro / nano lašelių masyvas turi daug inžinerinių pritaikymų. Pavyzdžiui, Zhu et al . pranešė apie nanolitrų lašelių masyvo pagrįstą metodą, skirtą įvertinti genų raišką atskirose ląstelėse 1, 2 . Nuosekliai spausdindami nanolitrų dydžio lašelius ant mikrofluidinio roboto, galima automatiškai pasiekti visas skysčių tvarkymo operacijas, įskaitant ląstelių kapsuliavimą, lizavimą, atvirkštinę transkripciją ir kiekybinę PGR su realaus laiko fluorescencijos aptikimu. Lašeliu pagrįsta mikrofluidinė sistema buvo naudojama siekiant gauti objektyvo efektą, naudojant ploną skysčio sluoksnį ant poliarinio elektrinio kristalo, pavyzdžiui, LiNbO 3 3 . Skystų mikroobjektyvų masyvas buvo sugeneruotas naudojant piroelektrinių periodiškai polių kristalų elektrinį švitrinimą. Talpinio tipo jutiklinis jutiklis naudojo skysto metalo (LM) lašelių matricą 4 . Mikrosistemą sudaro trys komponentai, tarp jų plonas oksido plėvelės apatinis sluoksnis, išpieštas elektrodais, piramidės formos polidimetilsiloksano (PDMS) kamera, kurioje yra LM lašelių, ir viršutinė membrana su elektrodu. LM lašelio ir plokščio dugno elektrodo sutapimo plotą galima pakeisti, norint modifikuoti jutiklio talpą.

Savarankiškai suorganizuotų lašelių masyvą galima rasti bioinžinerijoje, skirtoje mėginių apdorojimui, bandymams ir analizei, optinėje inžinerijoje vaizdo kūrimui ir elektronikos pramonėje. Pastaraisiais metais didelę pažangą padarė lašo augimo ir judėjimo moduliavimas. Jis ir kt . 5 pranešė apie efektyvų kondensuoto vandens lašų su hierarchiškai struktūruotu porėtu aliuminio paviršiumi šalinimo metodą. Zhang ir kt . 6 parodyta, kad kritimo kontaktinius kampus gali nustatyti vietinė nevienalyčių paviršių struktūra. Lv ir kt . 7 pademonstruotos biologiškai įkvėptos kovos su apledėjimu strategijos. Zhang ir kt . 8 ištirtas padidėjęs kondensuoto vandens lašelių šokinėjimas nuo apledėjimo paviršių. Liu ir kt . 9 kontroliuojamas savaeigis lašelių šuolis nustatyta kryptimi mikroanizotropiniu superhidrofobiniu paviršiumi nustatyta kryptimi. Atkreipiame dėmesį, kad lašelius galima modifikuoti uždaroje sistemoje. Huangas ir kt . 10 parodytas emulsijų susidarymas vietoje valdomų oro kamščių pagalba. Taip pat lašelius galima generuoti ir moduliuoti atviroje aplinkoje. Hou ir kt . 11 parodytas erdvinis lašelių susidarymas ant hibridinio hidrofinio / superhidrofobinio paviršiaus.

Lašelių generavimas ir moduliavimas grindžiamas mikro / nano sistema. Pagrindinė šių sistemų medžiaga yra silicis 12, stiklas 13 ir PDMS 14 . Šios sistemos turi bendrą kompaktiško dydžio pobūdį. Bendras lusto dydis yra ~ mm-cm skalėje. Mikrosistemų partijos gamyba yra naudinga siekiant sumažinti gamybos sąnaudas. Mikro / nano lašelių masyvo generavimas dideliame paviršiuje yra iššūkis. Kaip mes galime pagaminti mikro / nano lašelių masyvą ant ~ m 2 dydžio metalinio paviršiaus? Didelės apimties mikrosistemų lašelių formavimo metodus sunku įdiegti. Išlaidos bus žymiai padidintos, kai bus pakeista mikrosistema pagrįsta lašelių generavimo technika plataus masto naudojimu. Mechanikos inžinerijai toks reikalavimas būtinas. Jei vienas mašina hidrofilinius taškus ant didelio masto superhidrofobinio vario paviršiaus, kondensato šilumos perdavimas pagerės dėl uždelsto skysčio potvynio ant paviršiaus 15 . Visai neseniai Yoo ir kt . pažymėjo, kad periodiniai vandens lašai ant metalinio paviršiaus gali būti naudojami absorbuoti elektromagnetines bangas, o tai yra patrauklu kariniam naikintuvui, tankui ir karo laivui, kad būtų išvengta radaro aptikimo 16 .

Čia mes papasakojome apie naują mikro lašelių modelio mechanizmą, plataus masto ant metalinio paviršiaus, lašinant kondensaciją. Įrenginys veikia remiantis atskira trijų matmenų (3D) ekrano struktūra, kuri buvo sukepinta ant vario pagrindo. Ant vario pagrindo yra litavimo tik apatinė ataudų laidų dalis, sukelianti nevienodą likučių įtempį išilgai išlenktų ataudų vielų. Audinių vielų išorinė ir vidinė pusės turi atitinkamai traukos ir gniuždymo įtempius. Viršutiniame audinių vielos įtempis yra didesnis nei kitur. Kai sukepinta struktūra oksiduojasi, susidaro mikronų dydžio duobės, o ataudų vielos viršutinėje dalyje nėra daug nano žolių dėl ten esančios per didelės oksidacijos. Nanožolės auga kitose ataudų laidų vietose, kad parodytų hidrofobinį elgesį. Taigi periodiškai formuojami nauji paviršiaus energijos ir gradiento ataudų laidai. Vario substrato ir tinklelio ekrano paketo aušinimas drėgno oro aplinkoje branduolinių vandens lašelių ataudų vielos viršutinėje vietoje, kuri yra labiau „hidrofilinė“ nei kitose vietose. Pakeitus aušinimo vandens temperatūrą, vėsinimo laiką ar oro nuolankumą, keičiamas lašelių dydis. Metmeninių laidų temperatūra buvo aukštesnė nei ataudų vielų, todėl lašelių susidarymas retai atsiranda ant metmeninių vielų. Kadangi medžiaga (varis ir tinklelio tinklelis) yra parduodama, o sukepinimo technika yra subrendusi, prietaisas yra pigus ir tinkamas didelio masto lašelių matricai generuoti.

Netolygus įtempimas išilgai ataudų laidų

Tiriamojo skyriaus paruošimas susideda iš dviejų etapų: tinklelio tinklelio gabalo sukepinimas ant vario pagrindo ir bandymo sekcijos paviršiaus modifikavimas, siekiant sukurti mikro / nano struktūrą. 1 paveiksle parodytas sukepinimo procesas prieš oksidaciją. Vario tinklelis yra plačiai naudojamas tokiose pramonės šakose kaip šilumos vamzdžiai 17 ir dujų-skysčių separatorius 18 . Tinklo vielos skersmuo yra d, o stačiakampio poros plotis yra w (d = 101 μm ir w = 152 μm, žr. 1a pav.). Išskirtinę trijų matmenų struktūrą sudaro tiesūs pynimo laidai ir lenkti ataudų vielos. Kitaip tariant, tinklo ekranas turėjo lygiagrečius ir išlenktus ataudų laidus, periodiškai atskirtus tiesiais metmenimis. Vario cilindrų blokas, kurio skersmuo 30 mm ir 20 mm aukštis, buvo kruopščiai apdirbtas ir nušlifuotas smulkiu šlifavimo popieriumi (žr. 1b pav.).

Image

a ) Tinklinis tinklelis, b ) vario substratas, c ) dviejų komponentų sujungimas išorine jėga, d ) vario substrato sukepinto tinklelio tinklelis, e ) padidinta bandymo sekcijos struktūra prieš oksidaciją.

Visas dydis

Tinklo ekranas uždedamas ant vario pagrindo viršaus. Abu komponentai sujungiami tarpusavyje veikiant 1 kg svorio grafito formos sukuriamą išorinę jėgą (žr. 1c pav.). Svorio sukeltas gniuždymo įtempis yra svarbus norint išlaikyti glaudų tinklo ekrano ir vario pagrindo kontaktą. Tai taip pat užtikrina ataudų vielų vietinį litavimą (ne taškinį litavimą) su vario pagrindu, išlaikant gana vienodą temperatūrą tarp ataudų laidų ir vario bloko. 1d paveiksle parodytas bandymo pjūvis po sukepinimo. Išplėstinė 3D struktūra parodyta 1e pav., Pažymint, kad apatinė ataudų laidų dalis yra lituojama vario pagrindu. Metmeniniai laidai yra pakabinami oro aplinkoje, tačiau periodiškai atskirkite ataudų laidus kaip atraminę konstrukciją.

Sukepinimo procesas veikiant išorinei jėgai sukėlė nevienodus įtempius išlenktose ataudų vielose. 2a paveiksle parodytas ekrano ekranas ant plokščio paviršiaus be išorinės jėgos, veikiant tarp jų esančio taško. Kai mes naudojame išorinę jėgą, tokią kaip 1 kg, tinklelio ekrano gabalui, iš pradžių pakabinti AB taškai (žr. 2a pav.) Dėl minkštos medžiagos deformacijos liečiasi su plokštumos paviršiumi (žr. 2b pav.). Atitinkamai, tinklo ekrano aukštis keičiamas iš H į H - δ, nurodant δ deformaciją aukščio kryptimi. Kai išorinė jėga (svoris) buvo pašalinta iš tinklo ekrano, susidaro likučiai. 2c paveiksle pavaizduotas ataudų vielos vidurinis skerspjūvis, periodiškai atskirtas lygiagrečiais metmenų viela, po sukepinimo proceso. Pirmiausia buvo atkreiptas dėmesys į ataudų vielos viršutinę vietą. Buvo nustatyta koordinačių sistema kaip O kaip pradinis taškas ir r kaip spindulio indeksas. Stresas išreiškiamas 19

Image

a ) Tinklinis tinklelis ant vario pagrindo prieš naudojant išorinę jėgą. b ) Tinklinis tinklelio tinklas yra silpnas deformacija pritaikius išorinę jėgą. c ) Įtempių analizė viršutinėje srityje ir kitur nukrypsta nuo viršutinio paviršiaus po sukepinimo proceso, kai svoris buvo. pašalintas.

Visas dydis

Image

kur E yra tamprumo modulis, r s yra spindulys esant nuliniam įtempiui. Teigiamas ir neigiamas τ rodo atitinkamai traukos ir gniuždymo įtempius. Išorinė pusė ( r > r s ) ir vidinė ( r < r s ) atitinkamai veikia traukiant ir gniuždant. Tačiau kai vieta nukrypsta nuo viršutinės vietos, pradinis taškas pasislenka į O ′, o spindulys pažymimas r ′. Stresas yra

Image

Kadangi kreivio spindulys r s viršutinėje vietoje yra mažesnis nei kitose vietose, viršutinėje vietoje esantis paviršius turi didesnį tempimo įtempį nei kitur. Tokiu būdu išilgai ataudų laidų susidaro nevienodas įtempis. Didžiausias tempimo įtempis atsiranda ataudų vielos viršutinėje vietoje. Dėl skirtingos akių ekrano struktūros atstumas tarp dviejų didžiausių traukimo įtempių taškų yra

Image
.

Pažvelgdami į 1e ir 2 paveikslus, mes pastebėjome išorinę jėgą, veikiančią ataudų laidus, bet ne metmenis. Metmeninių ir metmenų vielų skersmuo yra vienodas, tačiau jų erdvinis išdėstymas yra visiškai skirtingas. Metmeniniai laidai yra išlenkti membranos aukščio kryptimi, tačiau metmenų viela yra pakabinta lygiagrečiai plokštuminiam vario paviršiui. Išorinė jėga, tiesiogiai veikiama ataudų vielos viršutinėse vietose, sukelia mikrodeformaciją, po audinio sukepinimo sukeldama liekamąjį įtempimą ataudų viela. Tačiau kai išorinė jėga veikiama tinklelio ekrano gabalėlyje, masės centras išilgai skirtingų ašinių vielinių vielos vietų bus nuleistas žemyn tuo pačiu aukščiu, kuris turėtų būti labai mažas. Taigi išilgai metmenų laidų nėra deformacijos, kad būtų kokių nors jėgų ir įtempių metmeninių laidų. Cheminis sukepinimo paketo apdorojimas esant liekamojo įtempio sąlygoms yra priežastis sudaryti paviršiaus energijos ir gradiento ataudų laidus.

Paviršiaus energijos ir gradiento ataudų laidai

Sukepintas mėginys buvo oksiduotas ir modifikuotas remiantis Chen et al . 20 ir Feng et al . 21 (Išsamią informaciją rasite metodų skyriuje). Pagaliau gauto mėginio laipsniškai didinami SEM (skenavimo elektroniniu mikroskopu) vaizdai pavaizduoti nuo 3a iki f pav. 3b paveiksle pavaizduotas tipinis atvaizduojamo ploto vienetas, kuriame 1, 2, 3 ir 4 sritys nurodo vario pagrindo plotą, metmenų vielos paviršiaus plotą, ataudų vielos paviršių, nukrypstantį nuo viršutinės vietos, ir ataudų vielos viršutinę vietą. Vario substratas ir metmeninės vielos paviršius elgėsi su CuO gėlėmis panašiomis mikrostruktūromis ir nanorodų masyvais (žr. 3c pav., D). Išplėstiniai SEM vaizdai rodo, kad mikrožiedės skersmuo yra 2–5 μm, o nanorodų - apie 100 nm.

Image

a ) Tinklinis tinklelis, b ) keturi regionai, c ) 1 sritis vario paviršiaus srityje, d ) 2 sritis ant metmenų vielos paviršiaus, e ) 3 sritis ataudų vielos paviršiaus srityje, besiskirianti nuo viršutinės vietos, ir ( f ) 4 sritis viršutinėje ataudų vielos vietoje, tankiai apgyvendinti nanorodai yra 3 regione, o mikrodugniai, kuriuose yra mažai nanodalelių, yra atitinkamai 4 regione.

Visas dydis

Įdomu pastebėti skirtingą mikro / nano struktūrą skirtingose ​​ataudų vielos vietose. 3 sritis (žr. 3e pav.) Yra ataudų vielos paviršiuje, kuris skiriasi nuo viršutinės vietos. Pastebėta, kad tankios nano žolės veikia ypatingai hidrofobiškai. Manoma, kad nano žolės yra pasvirusios dėl išlenkto ataudų paviršiaus. Tačiau 3f pav. Parodyta, kad ataudų vielos viršutinėje vietoje (4 sritis 3 pav. 3b) galima pamatyti įtempių sukeltą mikro / nano struktūrą. Chemiškai apdorojant tinklelio tinklelio mėginį, ataudų vielos viršutinė vieta yra oksiduojama ir susidaro 22 duobės, kurių dydis ~ 10 μm. Mikro duobių struktūra, turinti mažiau nanodalelių, sukelia „hidrofiliškumą“ nei jos kaimyninė sritis. 3D tvarka išdėstyta ekrano struktūra sudaro įtempių sukeltą duobių masyvą.

Tinklinis tinklelis, sukepintas ant vario pagrindo, veikiant išorinei jėgai, po sukepinimo suformuoja nelygius liekamuosius įtempius ataudų viela. Didžiausias įtempis yra viršutinėje ataudų vielos vietoje. Tinklo ekrano oksidacija nevienodais įtempiais sukuria paviršiaus energijos gradiento ataudų laidus. Dėl „hidrofilinio“ elgesio, susijusio su greta esančia hidrofobine zona, lašelių susidarymas įvyks ant mikro duobių masyvo, ataudų vielos viršuje. Tai yra pagrindinis mikro lašelių rašto formavimo tinklelis tinklelis.

Rezultatai ir DISKUSIJA

Savarankiškai organizuotas mikro / lašelių rinkinys

Atliktas kondensacijos eksperimentas. 4 paveiksle parodytas savarankiško organizuoto kondensacinių lašelių masyvo dinaminis procesas, kai aplinkos temperatūra T e = 26 ° C, oro drėgnis RH = 40, 0% ir aušinimo substrato temperatūra T sub = 6, 0 ° C. A, b, d, e, g, h ir i poskyriai iliustruoja dinaminius vaizdus su iš eilės einančių 15 minučių skirtumu tarp gretimų subfigūrų. C ir f pogrupiai yra atitinkamai padidinti b ir e vaizdai. 4j – l paveiksle parodytas lašo sujungimo procesas, kai iš eilės einama 10 ms.

Image

( a, b, d, e, g, h, i ) Pavaizduokite augimo kritimą su 15 minučių iš eilės skirtumu; ( c ) padidinkite ( b, f ) - padidinkite ( e, j, k, l ). derinimas, kai lašai pasiekia derėjimo kriterijų, kurio seka yra 10 ms.

Visas dydis

Laikas t = 0 apibrėžiamas kaip aušinimo proceso pradžia (žr. 4a pav.). Kai t = 15 min., Ant audinių vielos viršutinių vietų atsirado mažų lašelių, tačiau lašai retai pastebimi ant metmenų vielos (žr. 4b – c pav.). Audinių laidų oksidacija nevienodais įtempiais formuoja „hidrofilinius“ duobių plotus, kurie kondensacijos metu tapo vandens lašo branduolio vietomis. Mažų lašelių susiliejimas ant ataudų vielos viršutinės dalies sukuria savaiminį lašelių masyvo modelį (žr. 4d, e, g, h ir i pav.). Lašelio skersmuo yra D , kuris didinamas nuolat aušinant vario substratą. Keturi lašai sudaro lašelių masyvo vienetą (žr. 4f pav.).

Image
yra atstumas tarp dviejų kaimyninių lašelių centrų ir laikui bėgant nesikeičia. Didžiausias lašelio skersmuo yra
Image
, už kurio įvyksta lašo sugretėjimas (žr. 4j – l pav.). Panašų dinaminį savarankiškai organizuoto kondensacinių lašelių rinkinio, kurio oro drėgnis yra 60, 0%, o substrato temperatūra T sub = 1, 0 ° C, dinamiką galima rasti 1 papildomame filme.

5 paveiksle parodytas negiminis kritimo skersmuo,

Image
, palyginti su aušinimo laiku t , aušinimo temperatūra T sub ir oro nuolankumu RH. Matoma, kad
Image
padidėja t . Pereinamasis kriterijus yra
Image
arba
Image
. Padidėjęs oro drėgnis RH ir (arba) mažėjantis aušinimo temperatūra T sub pagreitina kritimo augimą. Gaunami beveik vienodi lašų dydžiai. Skirtumas tarp maksimalaus ir mažiausio skersmens, padalytas iš vidutinės vertės, vadinamas lašo dydžio nuokrypiu, kuris visuose bandymuose yra mažesnis nei 8%.

Image

Visas dydis

Šilumos perdavimo analizė

Kondensacijos teorija 23 suteikė mažiausią branduolio energetinį barjerą kaip

Image

kur θ yra kontaktinis kampas, γ gl yra paviršiaus įtempis tarp dujų ir skysčio, r min yra mažiausias branduolio dydis 24, 25 :

Image

kur T s yra garų prisotinimo temperatūra, h lv - latentinė išgarinimo šiluma, o T w - sienos temperatūra. Pageidautina, kad hidrofiliniame paviršiuje atsirastų nukritimo vieta, kurią sukelia sumažėjęs Δ G ir decrease sumažėjimas. Audinių vielos viršutinė vieta atitinka būtinas sąlygas, nes ji yra labiau hidrofilinė nei kitur. Tw turėtų būti pakankamai žemas, kad būtų kuo mažiau energijos. Šilumos perdavimo analizė turi (1) patikrinti, ar ataudų vielos viršutinės dalies temperatūra yra tokia pati kaip vario pagrindo; (2) įvertinti šilumos perdavimo greitį per ataudų laidą; (3) įvertinkite šilumos perdavimo greitį per metmenis, kad sužinotumėte, ar jis yra daug mažesnis nei ataudų viela. Jei bus pasiekti trys tikslai, mes visiškai suprantame, kodėl geriau, jei branduolių susidarymo vietos įvyktų ataudų vielos viršutinėse vietose, o metmeninės vielos mažiau prisideda prie kondensacijos.

6a, b paveiksle parodytas tipiškas mikro lašelių masyvas tinklelio ekrane, kurį sukelia 3D tinklelio ekrano struktūra ir skirtingos šiluminės / skysčio savybės. Tinklo ekrano vienetas buvo pasirinktas taip, kad jo projektinis plotas būtų ( w + d) 2 , kur w ir d yra atitinkamai porų plotis ir tinklo vielos skersmuo. Tiek ataudų, tiek metmenų viela yra veikiama drėgno oro aplinkoje, kurios temperatūra yra T e . Remiantis 26 koreliacija, apskaičiuotas natūralaus konvekcinio šilumos perdavimo koeficientas h oras = 22 W / m 2 K be kondensato. Kaip alternatyva, pasak Ma et al . 27 pav ., Kondensacijos šilumos perdavimo koeficientas yra h oras, c ~ 1000 W / m 2 K. Bioto skaičius, apibūdinamas kaip Bi = h ore, c d / λ cu = 7, 6 × 10 −4, yra daug mažesnis nei 1, kur λ cu yra vario šilumos laidumas. Taigi, tinklo vielos spindulio kryptimi temperatūra yra labai vienoda. Mes atsižvelgiame tik į temperatūros pasiskirstymą išilgai ašinių tinklo laidų. 6c paveiksle parodytas fizinis šilumos perdavimo analizės modelis. Užtemdytas mėlynas plotas žymi išlenktą ataudų vielą, bet juodi plotai - metmenų laidus B ir C. Lenkto ataudų viela buvo ištempta į tiesią cilindro peleką, kurio skersmuo d = 101 μm, o aukštis - L = 402 μm. Baliono pelekas buvo sukepintas ant vario pagrindo paviršiaus, jo dugno temperatūra T D = T sub . Baliono paviršius veikiamas drėgno oro, esant T e temperatūrai. Metmeninės vielos nelietė vario pagrindo, todėl tarp metmenų vielos ir ataudų laido yra laidus šiluminis pasipriešinimas (CTR) (žr. 6d pav.). Šiuo metu mes nelaikome šilumos perdavimo tarp metmenų ir ataudų laidų.

Image

a ) Mikro lašelių matricos nuotrauka, b ) Mikro lašelių matricos trimatis vaizdas, c ) vario pagrindu sukepinto tinklelio ekrano fizinis modelis, d ) šiluminės varžos analizė.

Visas dydis

Remiantis 28 šilumos perdavimo modeliu, perteklinė temperatūra yra apibrėžiama kaip ϕ z = T e - T z , kuri yra

Image

kur

Image
. Pelekų viršuje yra perteklinė temperatūra

Image

Pakeitus h orą = 22 W / m 2 K arba h orą, c = 1000 W / m 2 K į m ir, kai L = 402 μm, 1 / ch ( ml ) prilygsta atitinkamai 0, 9998 ir 0, 9920. Tiek 1 / ch ( ml ) artėja prie 1, o tai rodo labai mažą pelekų ir vario substrato temperatūrų skirtumą.

Projekto srityje ( w + d ) 2 šilumos perdavimo sparta per ataudų vielos paviršių yra

Image

Pažymėdamas, kad Eq. 7, šilumos perdavimo plotas A atauga yra π dL , kur L yra pelekų aukštis. Suteikia oro, c = 1000 W / m 2 K ir T e = 26, 0 ° C, Q ataudai yra 3, 16 × 10 –3 W, 2, 53 × 10 –3 W ir 1, 89 × 10 –3 W trims T sub 1, 0. ° C, 6, 0 ° C ir 11, 0 ° C.

Dabar atsižvelgiama į šilumos perdavimo greitį per metmenų vielos paviršių projekto srityje ( w + d ) 2 . Pagrindinis faktorius nustatant tokį šilumos perdavimo greitį yra oro laidžioji šiluminė varža (CTR) tarp metmenų ir ataudų laidų (žr. 6c pav.). Remiantis kryžminiu metmenų ir ataudų laidų kontaktu, vidutinis dujų plėvelės storis buvo nurodytas kaip

Image

Atitinkamai, CTR yra

Image
, kuris yra trimis užsakymais didesnis nei metmeninės vielos laidžioji šiluminė varža
Image
. Šilumos perdavimo greitis per metmenų vielos paviršių yra

Image

kur

Image
yra ataudų vielos paviršiaus temperatūra, kuri liečiasi su metmenine viela B (žr. 6d pav.),
Image
. Suteikiantis h oro = 22 W / m 2 K ir T e = 26, 0 ° C, T B yra 2, 1 ° C, 6, 9 ° C ir 11, 6 ° C atitinkamai trims T sub ( atitinkamai 1, 0 ° C, 6, 0 ° C ir 11, 0 ° C). . Matoma, kad metmenų vielos temperatūra T B yra aukštesnė nei temperatūra ant ataudų vielų. Taigi, geriau, kai kritimo branduolio vietos susidaro ataudų vielos paviršiuje. Remiantis Eq. 9, Q B arba Q C metmeninės vielos paviršiuje yra 2, 02 × 10 –4 W, 1, 62 × 10 –4 W ir 1, 21 × 10 –4 W trims T sub (1, 0 ° C, 6, 0 ° C ir 11, 0 ° C). Q B arba Q C yra viena tvarka mažesnė už Q ataudus ant ataudų vielos paviršiaus. Analizė patvirtina mūsų pastebėjimą, kad ant metmenų laidų matoma mažiau lašelių (žr. 4 pav.).

Lašelių koacencija dėl paviršiaus energijos gradiento ataudų laidų

Mes išanalizavome lašo sujungimą palei išlenktą ataudų vielos paviršių, kuris yra vienas iš mechanizmų, formuojančių savarankiškai organizuotą kritimo masyvą tinklelio ekrane. 7a – c paveiksluose pavaizduota dviejų gretimų lašų sugretinimo seka, pažymint 1 ms laiko skirtumą tarp dviejų vaizdų. Dinaminį procesą galima rasti 2 papildomame filme. Fizinis vaizdas parodytas 7d pav., Kuriame „didesnis“ kritimas A lieka ataudų vielos viršutinėje vietoje, bet „mažesnis“ kritimas B yra kaimyninėje vietoje. Dviejų lašų sugijimas vadinamas „A valgo B režimą“, kurį sukelia ataudų vielos paviršiaus energijos gradientas.

Image

( a, b ir c ) yra skirti 1 ms laiko skirtumui, ( d ) parodo dviejų lašų sujungimo fizinį modelį.

Visas dydis

Pirmiausia buvo laikomas vienas lašas. Darant prielaidą, kad sferinis kritimas, lašo paviršiaus energijos ( G ) santykis su jo gravitacine potencialine energija ( W ), K yra

Image

kur γ gl yra paviršiaus įtempimo jėga tarp dujų ir skysčio, ρ l yra skysčio tankis, o g yra gravitacijos pagreitis. Turėdamas

Image
, γ gl = 72, 6 mN / m, ρ l = 998 kg / m 3, g = 9, 8 m / s 2, K yra didesnis kaip 695, tai rodo mažesnę gravitacinio potencialo energijos ( W ) svarbą. Taigi W nelaikoma. Gibso laisvoji energija yra 29

Image

kur θ yra kontaktinis kampas, S gl ir S sl yra dujų ir skysčio sąlyčio plotas ir kietojo skysčio sąlyčio plotas lašams, kurie yra

Image

Lašo skersmuo D , kritimo tūris V ir kontaktinis kampas θ yra šie santykiai

Image

12–13 ekvivalentų pakeitimas ekvivalentais. 11, gauname

Image

kur f (θ ) yra

Image

Dabar mes manome, kad dviejų lašų sujungimas. Audinių vielos viršutinė vieta yra „hidrofiliškiau“, palyginti su kaimynine vieta. Įrašoma viršutinė padėtis kaip HP (hidrofobinė, pažymėta raudona spalva) ir gretima vieta kaip SHP (superhidrofobinė, pažymėta mėlyna spalva). Prieš sujungimą lašas A lieka ties HP, kai kontaktinis kampas yra θ A, o lašas B lieka ties SHP, kai kontaktinis kampas yra θ B, pažymint θ A < θ B (žr. 8a pav.). Jei lašo B tūris ε yra lašo A tūris ( V B = εV A ). Iš viso du lašai turi „Gibbs“ laisvosios energijos

Image

( a ) Prieš sujungimą, b ) A valgo B, kad susidarytų C lašas, tenkinantis minimalaus paviršiaus energijos principą, c ) neįmanomas atvejis, kai „B valgo A“ nuo D lašo, neatitinkantis minimalaus paviršiaus energijos principo, HP ir SHP reiškia atitinkamai hidrofobinį ir superhidrofobinį.

Visas dydis

Image

Atkreipiame dėmesį į metastabilią būseną, parodytą 8a pav. Gali būti, kad lašas B SHP srityje juda link lašo A HP srityje, sudarydamas lašą C (žr. 8a pav.). Kadangi kritimas C yra HP srityje, kontaktinis kampas θ C yra lygus θ A. Esant pusiausvyros būsenai po kolacencijos, C lašas turi Gibbs laisvąją energiją

Image

Arba, žr. 8c pav., Jei A lašas HP srityje juda link lašo B SHP srityje ir sukuria D lašą, Gibbs'o laisvoji lašo D energija yra

Image

18 lygtis galioja darant prielaidą, kad kritimo D sąlyčio kampas SHP srityje θ D vis tiek yra lygus θ B. Minimalus paviršiaus energijos principas 30 nulemė kelio pasirinkimą tarp 8b ir c pav. Norint palyginti paviršiaus energijas, išreikštas 16, 17, 18 ekv., F (θ ) darinys yra

Image

F ′ ( θ )> 0 diapazone θ ∈ [0, π] mums pasakė, kad f (θ ) didėja didėjant θ . Palyginus 16, 17, 18 lygius, gaunami G C < GD ir G C < G A + G B, kad būtų galima pasirinkti kelią, parodytą 8b pav. (Vadinamasis „A valgo B“ režimą). Lašas visada juda link aukštesnės energijos srities, kai jis susilieja su kitu lašu.

Čia mes panaudojome minimalios energijos principą, kad paaiškintume, kodėl lašas automatiškai juda link ataudų vielos viršutinės vietos. Buvo atkreiptas dėmesys į Gibbso paviršiaus energiją prieš ir po lašo sugretėjimo, tačiau kritimo dinamika, tokia kaip įtraukimo greitis, nėra nagrinėjama. Kai lašas išauga didesnis, lašo formą įtakoja paviršiaus geometrija. Dėl šios problemos trimatis ataudų vielos paviršius daro problemą komplikuotą, kurią reikia toliau ištirti. Liu ir kt . 31 parodyta, kad dėl atšokimo asimetrijos sumažėja kontaktinis laikas, kai lašas atšoka ant išlenkto paviršiaus.

Galiausiai aptariame lašo formą ant išlenktų ataudų vielų. Pateikta Gibbs paviršiaus energijos analizė padeda mums suprasti, kodėl maži lašai juda link ataudų vielos viršutinės vietos, darant prielaidą, kad lašeliai yra sferinės vainiko formos. Analizė atitinka mūsų eksperimentinius stebėjimus apie lašelių judesį ir sugretinimą. Praktiškai lašas gali skirtis nuo tobulos rutulio formos ant išlenkto tinklo vielos paviršiaus. Kritimas ant išlenkto tinklo vielos paviršiaus yra sudėtinga trimatė problema, apimanti ne tik išlinkimą išilgai ašinės tinklo vielos krypties, bet ir kreivę išilgai tinklo vielos perimetro krypties. Teorinė problemos analizė neįmanoma. Ateityje mes rekomenduojame atlikti trijų matmenų skaitmeninį modeliavimą. „Zhao 32“ pateikė teorinę lašo formos išraišką dvimačiai simetriškai problemai, tokiai kaip lašo sąveika su plokštuminiu sienos paviršiumi ir simetriškai išgaubtu ar įgaubtu tvirtu sienos paviršiumi.

Išvados ir perspektyva

Mikrolašelių rinkinio generavimas dideliame metaliniame paviršiuje yra sudėtingas klausimas. Buvo pranešta apie naują mikrolašelių matricos sistemą, naudojant daugiadisciplinines mechanikos, medžiagų ir šiluminės / skysčių mokslo žinias. Tinklinis tinklelis buvo sukepintas ant vario pagrindo, naudojant specifinį rišamąjį slėgį. Tinklo ekranas yra komercinė ir pigi medžiaga, turinti mikronų dydžio akytas poras, kad būtų galima plačiai naudoti. Struktūra yra periodinė, sudaranti pagrindą lašelių masyvui sudaryti. Netolygus liekamasis įtempis išlenktose ataudų vielose atsiranda po sukepinimo, kai pašalinama išorinė jėga. Yra trys lašelių susidarymo ir augimo mechanizmai ataudų vielos viršutinėse vietose: (1) ataudų vielos viršutinės vietos yra labiau „hidrofilinės“ nei kaimyninėje srityje. (2) Metmeninių vielų viršutinės vietos artėja prie šalčiausios varinės medžiagos temperatūros. Tačiau metmenų vielos temperatūra yra aukštesnė nei ataudų vielos. Metmeniniai laidai mažiau prisideda prie kondensacijos, tačiau veikia kaip atraminė konstrukcija. (3) Dėl paviršiaus energijos gradiento iškritęs ataudų vielos paviršius lašai sutrinka.

„Mesh“ ekrano pagrindu sukurta lašelių generavimo koncepcija gali turėti daug programų. Pvz., Lašinamas kondensacija ant kietų sienų nekontroliuojamai pasireiškia atsitiktiniu lašelių susidarymu ir augimu. Sukepintas tinklinis tinklelis ant varinės sienos ne tik išplečia šilumos perdavimo plotą, bet ir kontroliuojamu būdu kondensuoja, kad modifikuotų našumą, kuris yra svarbus tiksliam temperatūros valdymui. Kitas galimas pritaikymas yra aplinkos inžinerija. Sunku surinkti labai smulkias dulkių daleles iš didelio erdvės tūrio, kad oras būtų švarus. Buvo pranešta, kad tyrimas sugeria smulkias daleles vienkartiniu lašeliu, kurio lašas elektrinis 33 . Šis darbas pateikia naują būdą absorbuoti smulkias dulkių daleles pagal lašelių masyvą, kad būtų apsaugota aplinka didelio masto naudojimui.

Kadangi lašų moduliavimas yra plačiai pritaikomas mechaninėje, elektrinėje, optinėje ir biologijos inžinerijoje, lašelių dinamikai buvo skirtas didelis dėmesys. Chen et al . 34 ištyrė lašelių dinaminį daugiakampį pasklidimą ant liofilinės kolonos išdėstyto paviršiaus ir parodė, kad jų rezultatai gali išplėsti mūsų žinias apie skysčių dinamiką ant raštuotų paviršių ir padėti paviršiaus projektavimą praktikoje. Tinklo ekranas yra komercinė medžiaga, turinti mikro skylutes didelio masto naudojimui. Tinklo ekranas išplės savo funkcijas atlikdamas nanostruktūros modifikaciją paviršiuje. Lašelių ir tinklelio ekrano mikro / nano struktūros sąveikai yra svarbūs reiškiniai ir mechanizmai, kuriuos reikia ištirti. Perspektyvios tyrimų kryptys yra šios: (1) lašelių dinamika tinklinio ekrano pagrindu veikiančiose mikro / nano struktūrose, įskaitant smūginį, pasklidimą, atšokimą ir sujungimą, (2) išorinio lauko, pavyzdžiui, elektrinio lauko ir magnetinio lauko, poveikis kritimo dinamikai, (3) ) šilumos perdavimo poveikis kritimo dinamikai ir (4) didelės skiriamosios gebos eksperimentiniai ir skaitmeniniai kritimo dinamikos tyrimai.

Metodai

Vario bloko sukepinimo tinklo ekranas

Ant varinio cilindro bloko, kurio skersmuo 30 mm, aukštis 20 mm, pasirenkamas tinklinis tinklelis, kurio akies vielos skersmuo yra 101 μm, o stačiakampis porų plotis yra 152 μm. Prieš sukepinant, tinklelio tinklelio gabalas buvo paruoštas tokio paties dydžio kaip vario substrato. Vario cilindrų blokas buvo kruopščiai apdirbtas ir nušlifuotas smulkiu šlifavimo popieriumi. Tada vario blokas ir tinklelis buvo nuvalyti nuosekliai ultragarsu sužadintame acetono ir etanolio tirpale, kad būtų galima išvalyti užterštus aliejus. Džiovintas tinklelis uždedamas ant vario pagrindo viršaus. Abu komponentai sujungiami tarpusavyje veikiant išorinę jėgą, kurią sukuria 1 kg svorio grafito forma. Visi komponentai siunčiami į krosnį, kad būtų sukepinti. Sukepinimo procesas apibūdinamas taip. Iš pradžių krosnelė siurbiama iki absoliutaus 1 kPa slėgio. Tada azoto dujos ( N2 ) buvo įpiltos į krosnį, kad slėgis būtų 0, 5 bar. Apsauginėje aplinkoje N 2 mėginys vieną valandą buvo sukepinamas 850 ° C temperatūroje. Tada, išjungus orkaitės energiją, orkaitės temperatūra automatiškai sumažėja iki 30 ° C per 24 valandas.

Sukepinto mėginio oksidacija ir polimerinis modifikavimas

Sukepintas mėginys kambario temperatūroje maždaug 12 minučių buvo oksiduotas vandeninio 2, 5 mol / l natrio hidroksido ir 0, 1 mol / l amonio persulfato tirpalu, per kurį skystis buvo maišomas magnetiniu maišikliu 500 r / min greičiu. Sukepintas mėginys buvo išimtas iš tirpalo ir visiškai išplautas dejonizuotu vandeniu. Tada mėginys 2 valandas buvo kepamas orkaitėje 180 ° C temperatūroje. Galiausiai oksiduotas mėginys panardinamas į 1 H , 1 H , 2 H , 2H- perfluorodecil-trietoksisilano (FAS17, Alfa Aesar) 0, 5 masės% heksano tirpalą. Reakcijos laikas buvo maždaug 2 valandos, naudojant magnetinį maišiklį. Mėginys paruoštas naudoti po 1 valandos džiovinimo krosnyje 110 ° C temperatūroje.

Informacija apie eksperimentą

The condensation experiment was performed under constant environment temperature T e = 26 °C. The air humidity RH was also controlled as RH = 40% or RH = 60.0% by a wet steam humidifier and recorded by a humidity meter. The copper substrate (test section) was put on a cooling block, inside which the chiller water was flowing through. The temperature at the copper substrate surface T sub was measured by a thermocouple and recorded by a temperature recorder. The copper substrate surface T sub was changed to 1.0 °C, 6.0 °C or 11.0 °C by adjusting the chiller water bath temperature. In such a way, micro droplet array was generated on mesh screen surface under different working conditions. The dynamic growing process of the self-organized condensation droplet array was observed by an optical measurement system, which was included a microscope (SMZ1500, Nikon) bonded with a high speed camera (Motion pro Y4, IDT). The image file was transferred into a computer. The image size covered the pixels of 1016 × 1016. At the maximum optical amplification ratio of 16, the visualization size was 770 μm. Thus, the minimum size resolution was 0.76 μm. During the experiment, the visualization area could be changed manually.

Papildoma informacija

PDF failai

  1. 1.

    Papildoma informacija

Vaizdo įrašai

  1. 1.

    1 papildomas filmas

  2. 2.

    2 papildomas filmas

Komentarai

Pateikdami komentarą jūs sutinkate laikytis mūsų taisyklių ir bendruomenės gairių. Jei pastebite ką nors įžeidžiančio ar neatitinkančio mūsų taisyklių ar gairių, pažymėkite, kad tai netinkama.