底板热属性对纳米流体液滴蒸发的影响

摘要

由于较好的导热性能,纳米流体被视为一种潜力巨大的新型工质,纳米颗粒的加入使得纳米流体体现出与基液不同的热物性。而纳米流体液滴蒸发在电子芯片冷却、灭火、农药喷洒、喷墨打印,甚至医学诊断上有着重要的应用意义。本文利用饱和蒸汽压测量仪、粘度计、表面张力测量仪测量了Al2O3-H2O纳米流体在不同温度范围内饱和蒸汽压、粘度与表面张力这三种热物性;同时利用 DSA30光学接触角测量仪测量了 Al2O3-H2O纳米流体液滴在铜、铁、铝三种不同底板上的蒸发过程中,接触角、接触直径与高度等参数变化。实验结果表明:
　　(1)在30℃-50℃温度范围,纳米流体的饱和蒸汽压比基液去离子水的饱和蒸汽压小。通过内部结构分析,纳米流体由于纳米颗粒的加入而发生内部结构变化,粒径为10nm与20nm时,出现类液固层;粒径为50nm和100nm时,出现类固液层。这种层结构束缚了水分子在气/液界面上的逸出,且减少了自由水分子的数量,因此导致纳米流体饱和蒸汽压比去离子水的饱和蒸汽压小。
　　(2)在18℃-40℃温度范围内,纳米流体的粘度随着温度升高而减小,随着体积分数的增大而增大。相对粘度(纳米流体的粘度与去离子水的粘度之比)随着体积分数的增大而增大。体积分数1.5％为浓度临界值。当体积分数小于1.5%时,相对粘度的增大速率平缓,当体积分数大于1.5%时,相对粘度的增大速率加剧。粒径越小,纳米颗粒对基液粘度的影响越大,纳米颗粒的加入使得基液粘度增加的效果越明显。这可能与颗粒越小,越容易形成团聚体有关。
　　(3)在18℃-30℃温度范围内,纳米流体的表面张力随着温度升高而降低,随着体积分数的增大而减小。其原因可能是因为纳米粒子在气/液界面表现出如表面活性剂一般的效果,因此降低了表面张力值。但该结论与 Godson实验所得结论完全相反,由于其实验的纳米流体体积分数小于本实验中纳米流体的体积分数,因而猜测可能存在体积分数临界值。当低于该临界值时,纳米流体的表面张力随着体积分数增大而增大,当高于该临界值时,纳米流体的表面张力随着体积分数增大而减小。这需要进一步研究。纳米粒子的加入能否提高基液的表面张力与温度、粒径有很大关系,且对于固定温度,存在对应浓度临界值。只有达到该浓度临界值,纳米粒子的加入才能提高基液的表面张力。粒径一定时,浓度临界值与温度成反比;当温度一定时,浓度临界值与粒径成反比。这同样需要进一步研究。
　　(4)纳米流体液滴蒸发过程中,不同底板的厚度与导热系数对固着液滴的接触角与接触线变化、蒸发时间以及最终纳米颗粒的沉积图案都有所影响。底板越厚,接触角随时间变化的速率越慢。底板的导热系数越高,或底板的厚度越小,液滴蒸发所需时间越长。
　　总之,纳米流体由于纳米颗粒的加入,其饱和蒸汽压、粘度、表面张力发生一定变化。而底板热物性的不同,使得纳米流体液滴蒸发过程发生不同变化,厚度影响了接触角的变化速率,导热热阻使得液滴蒸发过程中定接触线阶段的时间与总蒸发时间有所变化。这与液滴蒸发的冷却效应有关。

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第一章 前 言

1.1 课题概述

1.1.1 固着液滴蒸发

1.1.2 纳米流体

1.1.3 固着液滴蒸发的应用

1.2 国内外研究进展及发展趋势

1.2.1 蒸发速率与接触角的研究

1.2.2 蒸发液滴内部流动研究

1.2.3 纳米流体液滴蒸发研究

1.2.4 底板对液滴蒸发影响

1.2.5 咖啡圈效应研究

1.3 主要研究内容

1.4 本章小结

第二章 纳米流体热物性的实验研究

2.1 纳米流体的饱和蒸汽压实验研究

2.1.1 实验材料、装置与步骤

2.1.2 实验结果及分析

2.1.3 结论

2.2 纳米流体的粘度实验研究

2.2.1 纳米流体的粘度概述

2.2.2 实验装置

2.2.3 实验结果与分析

2.2.4 结论

2.3 纳米流体的表面张力实验研究

2.3.1 表面张力概述

2.3.2 实验装置

2.3.3 实验结果与分析

2.3.4 结论

2.4 本章小结

第三章 纳米流体液滴蒸发研究

3.1 实验装置、材料与方法

3.1.1 纳米流体的制备

3.1.2 底板的准备

3.1.3 液滴测量装置

3.1.4 实验操作过程

3.2 实验结果与分析

3.2.1 底板对接触角、接触线影响

3.2.2 底板对沉积图案的影响

3.3 模拟分析

3.3.1蒸发模型

3.3.2 模拟过程

3.3.3 模拟结果

3.4 本章小结

第四章 总结与展望

4.1 总结

4.2 展望与建议

参考文献

发表论文及参加科研情况说明

致谢