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提高或降低冰冻液滴附着力的新途径

2018-05-14
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这里的图片是一个液滴的微观顶视图。图片:瓦拉纳西集团/麻省理工学院

来自麻省理工学院的研究人员发现了当液滴与表面接触时所涉及的力学方面令人惊讶的新转折点,使他们能够增强或减少冷冻液滴的粘附。 / em

当冻结的液滴撞击表面时,它们通常会粘住或弹起。控制这种响应对于许多应用至关重要,包括3D打印,喷涂一些表面涂层以及防止飞机机翼,风力涡轮机或电力线等结构上的结冰。

现在,麻省理工学院的研究人员发现,当液滴接触到表面时,涉及到的力学方面出现了令人惊讶的新变化。虽然大多数研究都集中在这些表面的疏水特性上,但事实证明,它们的热性能也非常重要 - 并且提供了一个意想不到的机会来“调整”这些表面以满足给定应用的确切需求。这些新成果今天在MIT自然物理学杂志上发表,其中包括机械工程学博士Kripa Varanasi,前博士后Jolet de Ruiter和博士后Dan Soto。

“我们发现了一些非常有趣的东西,”瓦拉纳西解释说。他的团队正在研究液体的性质 - 在这种情况下,熔融金属滴落在表面上。 “我们有两个具有类似润湿特性的底物[倾向于在表面上展开或者堆积在表面上]但是具有不同的热特性。”根据传统思想,液滴作用在两个表面上的方式应该是相似的,但是相反事实证明,这是非常不同的。

该剪辑揭示了具有不同热性质的材料上液滴的不同行为。熔融锡的相同液滴撞击熔融石英表面(左侧)和硒化锌之一(右侧)。当左侧的液滴粘在表面上时,右侧的液滴显示边缘周围的条纹,显示扁平的液滴如何开始向上弯曲并剥落。 (图片:瓦拉纳西集团/麻省理工学院)

在大多数金属都能很好传导热量的硅上,“熔融金属刚脱落,”瓦拉纳西说。但是,在玻璃上,这是一种很好的绝热材料,“金属液滴粘住了,很难去除。”

他说,这一发现表明,“我们可以通过控制表面的热性能来控制液滴在表面上的附着”。他补充说,“确定液体如何与表面相互作用是一种全新的方法”。 “它为我们提供了控制这种液固相互作用结果的新工具。”

为了解释不同材料的导热性差异,瓦拉纳西给出了两个地板表面的例子,一个是石材,另一个是木材。即使两者的温度完全相同,如果你赤脚踩在木头上,它会比石头感觉温暖。这是因为石材比木材具有更高的热喷射率(材料可以交换热量的比率),所以它可以更迅速地从脚上吸走热量,使其感觉更冷。

研究中的实验是用熔融金属进行的,这在一些工业过程中很重要,例如应用于涡轮叶片和其他机器部件的热喷涂涂层。对于这些过程,涂层的质量和均匀性可能取决于每个微小液滴在沉积过程中粘附到表面的程度。瓦拉纳西说,结果可能也适用于各种液体,包括水。

当涂覆表面时,“液滴撞击和形成涂层的方式决定了涂层本身的完整性。如果它不完美,它可能会对部件的性能产生巨大影响,例如涡轮叶片,“瓦拉纳西说。 “我们的研究结果将提供一个全新的理解何时坚持和什么时候不坚持。”

当需要将液滴粘附到表面时(例如在某些类型的3D打印机中),以帮助确保每个印刷层完全粘附到前一层,以及何时防止液滴很重要时,新的见解可能是有用的从坚持,如在冰冷的天气飞机的翅膀。这项研究也可能有助于增材制造和热喷涂工艺的清洁和废物管理。

可以看到一滴熔融锡滴落在硅的表面上,左边是热传导良好的玻璃表面,右边是热绝缘体。在相同条件下,当表面倾斜时,硅上的凝固液滴立即脱落,而玻璃上的液滴紧紧粘附在表面上。 (图片:瓦拉纳西集团/麻省理工学院)

索托说,这项发现是在该团队研究液体与基材界面处的局部冷冻机制时发现的,研究人员使用一台热式高速摄像机,在冷却过程中显示出快速效果,而在较长的时间尺度内不可能看到这种效果。图像显示了液滴外缘周围边缘的逐渐发展。 “然后我们意识到,当液滴冻结时,液滴出乎意料地卷起并脱离表面,”他说。他们将这种现象描述为液滴的“自剥落”。

“Ruiter说,”这种现象的主要原因是短时间尺度流体动力学与粘合性之间的相互作用,以及导致全球变形的更长时间尺度的热效应。“该团队开发了一个设计图,以捕捉不同的在关键热性质方面可能的结果(粘着,自剥落或弹跳):下降和基质有效性以及温度。

由于液滴黏附或不粘附的程度取决于材料的热性能,因此可以根据应用调整这些性质,Soto说。 “我们可以想象通过电场或磁场实时调节热性能的场景,使得表面的粘性可以调节。”

研究小组发现,通过改变液滴和表面的相对温度也可以简单地控制结果。在许多情况下,这些变化是违反直觉的:例如,虽然人们可能认为防止冻结液滴粘附的唯一方法是对基材进行加热,但研究小组发现了一种新的制度,表面冷却也会导致相同的结果。

该研究得到了阿尔斯通和来自荷兰的Rubicon奖学金的支持。

出版物:Jolet de Ruiter,Dan Soto和Kripa K. Varanasi,“撞击液滴的自剥落”,Nature Physics(2017)doi:10.1038 / nphys4252

资料来源:麻省理工新闻David L. Chandler