一種通過提高液固表面浸潤性實現液體大面積鋪展的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及表面科學領域，特別涉及一種通過提高液固表面浸潤性實現液體大面積鋪展的方法，包括以下步驟：在非潤濕表面加工多個小孔，每個小孔與非潤濕表面的交點的切線與非潤濕表面之間的夾角小于90°；將金屬液體在非潤濕表面鋪展即可。本發(fā)明選用在非潤濕表面加工多個小孔，小孔與非潤濕表面的交點，經過該交點的切線與非潤濕表面之間的夾角小于90°，將金屬液在非潤濕表面鋪展，使金屬液覆蓋于非潤濕固體表面，實現了非潤濕表面具有較好潤濕性；并且孔之間的材料并未發(fā)生改變，為原始的固體材料，這種結構能保證與原始固體材料一致的性能。
【專利說明】一種通過提高液固表面浸潤性實現液體大面積鋪展的方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及表面科學領域，具體而言，涉及一種通過提高液固表面浸潤性實現液 體大面積鋪展的方法。

【背景技術】
[0002] 潤濕性是液體與固體表面接觸能力的一種直觀表現，一般由接觸角來直接定量。 圖1中Θ為液滴在固體表面所形成的接觸角。當Θ〈90°，則液體表現為較易潤濕該固體 壁面；當Θ>90°，則液體表現為不易潤濕固體壁面。目前，大量研究致力于增強液體在固 體表面的潤濕性以提高壁面的液膜鋪展特性和傳熱性能。目前，存在的增強固體表面潤濕 性的方法有：①在固體材料表面進行鍍膜，如在固體表面覆蓋TiO2薄膜并通過紫外光輻照 的方法獲得超級親水表面（較好潤濕性的表面）；②在固體材料表面通過化學腐蝕、光刻等 方法制作各種微結構并形成粗糙表面來實現固體表面較好的潤濕性。
[0003] 現有的技術如發(fā)明專利"超親水納米結構"、"紫銅表面超親水結構制備方法及用 該方法制造的紫銅微熱管"、"一種在鋁表面制備超親水浸潤表面的方法"、"一種簡易的長 效超親水鑰表面的制備方法"等，主要是通過在材料表面實現微細的結構來增加潤濕性。
[0004] 如"超親水納米結構"的實現方法如下：將具有不同形狀納米顆粒的納米流體施用 于基底上，而后進行加熱，加熱后隨著溶液的逐漸蒸發(fā)，納米流體中的納米顆粒會聚集并附 著在基底上形成如圖2和圖3的多孔聚集體集群。這種多孔聚集體集群使得基底表面變得 粗糙，進而形成超親水的表面。
[0005] 如"紫銅表面超親水結構制備方法及用該方法制造的紫銅微熱管"的實現方法如 下：圖4為其結構圖，附圖中，1、紫銅基管；2、超親水層；3、真空容腔；具體地，附著于紫銅 基管的超親水層形成方法如下：①配制CuSO4和H2SO4的混合溶液作為電解質；②用稀硫酸 和乙醇進行超聲波清洗紫銅管表面，并用去離子水清洗后烘干；③將清洗后的紫銅管放入 電解質中進行電化學沉積構筑微-納米粗糙結構；④燒結處理以獲得超親水層。
[0006] 現有的技術方法主要存在以下的局限和缺點：
[0007] 1、上述技術均是通過在材料表面構筑各種微尺度結構，以實現水在其表面的潤濕 性，而無法應用于高溫的環(huán)境；
[0008] 2、微尺度結構的機械強度差，使用壽命短，易受外界因素的影響，如輻照和高溫下 微結構易受破壞，無法長期使用；
[0009] 3、上述技術均未考慮液體在固體表面流動的情況，若液體需要在固體表面進行流 動，固體表面的微結構會使得流動的阻力增大；
[0010] 4、根據Wenze模型理論，粗糙表面使得疏水材料更加疏水，親水材料更加親水，因 此，上述技術的微結構只適合本身具有親水特性的材料。
[0011] 有鑒于此，特提出本發(fā)明。


【發(fā)明內容】

[0012] 本發(fā)明的目的在于提供一種通過提高液固表面浸潤性實現液體大面積鋪展的方 法，由于液態(tài)金屬與常規(guī)流體（水）不同，液態(tài)金屬具有較大的表面張力（與固體表面接觸 時具有較大的接觸角）、較大的粘度，更不容易潤濕固體表面，因而無法很好的在固體表面 鋪展。本發(fā)明通過在非潤濕表面加工多個孔，通過選用特定深度的小孔，并且限定了空間的 距離然后在上面注射金屬液滴，得到的液滴接觸角〈90° ;當金屬液體從上至下流動時，由 于同種金屬液體之間完全浸潤，流動的金屬液體會將非潤濕表面露出來的金屬液滴連接起 來，流動的金屬液體將會與金屬液滴連成一片完整的液膜并覆蓋于非潤濕固體表面，實現 了非潤濕表面具有較好潤濕性；并且由于金屬液滴約2/3的體積位于孔內，因此，在金屬流 體流動過程中，該液滴如同剛性小球，將一直保持在孔內滾動，這種滾動效果與軸承的潤滑 效果類似，將極大地減小金屬液體在固體表面流動的阻力，解決了金屬流體在粗糙固體表 面的流動阻力問題；此外，由于該方法在固體表面加工的小孔為毫米尺寸，且各個孔之間互 不相通，孔之間的材料并未發(fā)生改變，為原始的固體材料，這種結構能保證與原始固體材料 一致的性能。
[0013] 為了實現本發(fā)明的上述目的，特采用以下技術方案：
[0014] 一種通過提高液固表面浸潤性實現液體大面積鋪展的方法，包括以下步驟：
[0015] (a)、在非潤濕表面加工多個小孔，每個小孔與非潤濕表面的交點的切線與非潤濕 表面之間的夾角小于90° ;
[0016](b)、將金屬液體在非潤濕表面鋪展即可。
[0017]如圖5所示，若是直接將金屬液滴4注射在非浸潤材料5的表面，Θi角即接觸角 大于90°，不易潤濕非潤濕表面；與現有的在材料表面構筑各種微尺度結構不同，本發(fā)明 選用在非潤濕表面加工多個小孔，如圖6所示，小孔與非潤濕表面的交點，經過該交點的切 線與非潤濕表面之間的夾角小于90°，將金屬液在非潤濕表面鋪展，使金屬液覆蓋于非潤 濕固體表面，實現了非潤濕表面具有較好潤濕性；并且孔之間的材料并未發(fā)生改變，為原始 的固體材料，這種結構能保證與原始固體材料一致的性能。
[0018] 進一步地，小孔垂直于非潤濕表面的中心線長度為3-8_，小孔的深度為小孔垂直 于非潤濕表面的中心線長度的1. 7/3-2. 3/3 ;相鄰兩個小孔的中心間距為小孔平行于非潤 濕表面的中心線長度的3. 4/3-4. 6/3。經多次試驗驗證，該大小的小孔，在非潤濕表面鋪展 金屬液，得到的液滴接觸角〈90°;當金屬液體從上至下流動時，由于同種金屬液體之間完 全浸潤，如圖9所示，流動的金屬液體會將非潤濕表面露出來的金屬液滴連接起來，流動的 金屬液體將會與金屬液滴連成一片完整的金屬液膜6并覆蓋于非潤濕固體表面，實現了非 潤濕表面具有較好潤濕性。
[0019] 為了使金屬液滴具有更好的潤濕性，優(yōu)選地，小孔的深度為小孔垂直于非潤濕表 面的中心線長度的1. 9/3-2. 2/3 ;更優(yōu)選為小孔的深度為小孔垂直于非潤濕表面的中心線 長度的2/3,如圖6所示，其中，D為金屬液滴直徑，也為圓形小孔的直徑，即為小孔垂直于非 潤濕表面的中心線長度。
[0020] 為了便于金屬液鋪展地更為均一，優(yōu)選地，相鄰兩個小孔的中心間距為小孔平行 于非潤濕表面的中心線長度的3. 8/3-4. 2/3 ;更優(yōu)選為相鄰兩個小孔的中心間距為小孔平 行于非潤濕表面的中心線長度的4/3。
[0021] 小孔可以為球形、橢球形以及不規(guī)則的球形等。如圖8所示，進一步地，所述小孔 的形狀為球形或橢球形。由于金屬液滴約2/3的體積位于孔內，因此，在金屬流體流動過 程中，如圖9所示，該液滴如同剛性小球，將一直保持在孔內滾動，這種滾動效果與軸承的 潤滑效果類似，將極大地減小金屬液體在固體表面流動的阻力，解決了金屬流體在粗糙固 體表面的流動阻力問題；不同孔之間的金屬液滴滾動形成的金屬液膜6實現了良好的鋪展 性。
[0022] 如：若小孔的形狀為球形，小孔的直徑為3_8mm，小孔的深度為小孔直徑長度的 1. 7/3-2. 3/3 ;相鄰兩個小孔的中心間距為小孔直徑長度的3. 4/3-4. 6/3。
[0023] 若小孔的形狀為橢球形，小孔的長徑為3-8_，小孔的短徑為2-5_，小孔的 深度為小孔短徑長度的1. 7/3-2. 3/3;相鄰兩個小孔的中心間距為小孔長徑長度的 3. 4/3-4. 6/3。
[0024] 為了保持液滴的浸潤性，并使金屬液體在固體表面流動的阻力更小，進一步地，所 述小孔為橢球形，橢球形的短徑垂直于非潤濕表面。
[0025] 經驗證，橢球形的短徑長度為2_5mm，金屬液鋪展時效果更好。更進一步地，橢球形 的短徑長度為2-5mm。
[0026] 如圖7和圖8所示，金屬液滴在非潤濕表面形成的分布示意圖。優(yōu)選地，在步驟（b) 中，所述金屬液通過將金屬液滴注射到非潤濕表面的小孔內，然后用金屬液體進行鋪展；
[0027] 其中，所述金屬液滴的體積不小于小孔的完整體積。
[0028] 金屬液滴的體積不小于小孔的完整體積即：如小孔為圓形孔，金屬液滴的半徑不 小于小孔的半徑；若小孔的體積與保持了金屬液滴與小孔的完整體積的一致性，使得金屬 液在鋪展過程中保持很好的浸潤性，并使金屬液滾動的鋪展過程鋪展的更為均一。
[0029] 具體地，所述金屬液為鋰、水銀、鎵銦錫中的任一種。這幾種金屬液采用本發(fā)明提 供的通過提高液固表面浸潤性實現液體大面積鋪展的方法，使材料之間的浸潤性得到提 升，并且鋪展地更為均勻；需要說明的是，金屬液并不限于這幾種材料。
[0030] 如圖10-12所示，進一步地，小孔的排布方式為交叉排列、矩陣排列和隨機排列中 的任一種或多種。小孔可以同時采用多種排列方式，也可以只采用一種排列方式。
[0031] 與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果為：
[0032] (1)本發(fā)明通過在非潤濕表面加工多個孔，通過選用特定深度的小孔，并且限定了 空間的距離然后在上面注射金屬液滴，得到的液滴接觸角〈90° ;當金屬液體從上至下流 動時，由于同種金屬液體之間完全浸潤，流動的金屬液體會將非潤濕表面露出來的金屬液 滴連接起來，流動的金屬液體將會與金屬液滴連成一片完整的液膜并覆蓋于非潤濕固體表 面，實現了非潤濕表面具有較好潤濕性；
[0033] (2)并且由于金屬液滴約2/3的體積位于孔內，因此，在金屬流體流動過程中，該 液滴如同剛性小球，將一直保持在孔內滾動，這種滾動效果與軸承的潤滑效果類似，將極大 地減小金屬液體在固體表面流動的阻力，解決了金屬流體在粗糙固體表面的流動阻力問 題；
[0034] (3)此外，由于該方法在固體表面加工的小孔為毫米尺寸，且各個孔之間互不相 通，孔之間的材料并未發(fā)生改變，為原始的固體材料，這種結構能保證與原始固體材料一致 的性能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0035] 為了更清楚地說明本發(fā)明或現有技術中的技術方案，以下將對本發(fā)明或現有技術 描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。
[0036] 圖1為本發(fā)明【背景技術】中關于接觸角的示意圖；
[0037] 圖2為本發(fā)明【背景技術】中超親水納米結構的示意圖；
[0038] 圖3為本發(fā)明【背景技術】中超親水納米結構的側視圖；
[0039] 圖4為本發(fā)明【背景技術】中紫銅微熱管結構示意圖；
[0040] 圖5為本發(fā)明金屬流體在非潤濕表面形成的液滴示意圖；
[0041] 圖6為本發(fā)明金屬液滴在改造后的非潤濕表面形態(tài)的示意圖；
[0042] 圖7為本發(fā)明非潤濕表面形成的液滴分布側面剖視圖；
[0043] 圖8為本發(fā)明非潤濕表面形成的液滴分布俯視圖；
[0044] 圖9為本發(fā)明金屬液滴流動后形成的金屬液膜在改造后的非潤濕表面的鋪展示 意圖；
[0045] 圖10為本發(fā)明實施例小孔交叉排列示意圖；
[0046] 圖11為本發(fā)明實施例小孔矩陣排列示意圖；
[0047] 圖12為本發(fā)明實施例小孔隨機排列示意圖。
[0048] 附圖標記：1、紫銅基管；2、超親水層；3、真空容腔；4、金屬液滴；5、非浸潤材料； 6、金屬液膜。

【具體實施方式】
[0049] 下面將結合實施例對本發(fā)明的實施方案進行詳細描述，但是本領域技術人員將會 理解，下列實施例僅用于說明本發(fā)明，而不應視為限制本發(fā)明的范圍。實施例中未注明具體 條件者，按照常規(guī)條件或制造商建議的條件進行。所用試劑或儀器未注明生產廠商者，均為 可以通過市售獲得的常規(guī)產品。
[0050] 實施例1
[0051] 通過提高液固表面浸潤性實現液體大面積鋪展的方法，包括以下步驟：
[0052] (a)、在非潤濕表面加工多個小孔，小孔的形狀為球形，小孔的直徑為3mm，小孔的 深度為I. 7_ ;相鄰兩個小孔的中心間距為3. 4_，小孔的排布方式為如圖10所示的交叉排 列；
[0053] (b)、在高溫環(huán)境下將金屬鋰液滴注射到非潤濕表面的小孔內，然后用金屬鋰液體 進行鋪展。
[0054] 實施例2
[0055] 通過提高液固表面浸潤性實現液體大面積鋪展的方法，包括以下步驟：
[0056] (a)、在非潤濕表面加工多個小孔，小孔的形狀為球形，小孔的直徑為6mm，小孔的 深度為4. 6mm;相鄰兩個小孔的中心間距為9. 2_，小孔的排布方式為如圖11所示的矩陣排 列；
[0057] (b)、將金屬鎵銦錫液滴注射到非潤濕表面的小孔內，然后用金屬鎵銦錫液體進行 鋪展。
[0058] 實施例3
[0059] 通過提高液固表面浸潤性實現液體大面積鋪展的方法，包括以下步驟：
[0060](a)、在非潤濕表面加工多個小孔，小孔的形狀為球形，小孔的直徑為8mm，小孔的 深度為16/3_ ;相鄰兩個小孔的中心間距為32/3_，小孔的排布方式為如圖12所示的隨機 排列；
[0061] (b)、在高溫環(huán)境下將金屬鋰液滴注射到非潤濕表面的小孔內，然后用金屬鋰液體 進行鋪展。
[0062] 實施例4
[0063] 通過提高液固表面浸潤性實現液體大面積鋪展的方法，包括以下步驟：
[0064](a)、在非潤濕表面加工多個小孔，小孔的形狀為橢球形，橢球形的短徑垂直于非 潤濕表面，橢球形的長徑為3mm，短徑為2mm，小孔的深度為3. 8/3mm;相鄰兩個小孔的中心 間距為11. 4/3mm，小孔的排布方式為如圖10所示的交叉排列；
[0065] (b)、將金屬鎵銦錫液滴注射到非潤濕表面的小孔內，然后用金屬鎵銦錫液體進行 鋪展。
[0066] 實施例5
[0067] 通過提高液固表面浸潤性實現液體大面積鋪展的方法，包括以下步驟：
[0068] (a)、在非潤濕表面加工多個小孔，小孔的形狀為橢球形，橢球形的短徑垂直于非 潤濕表面，橢球形的長徑為8mm，短徑為5mm，小孔的深度為ll/3mm;相鄰兩個小孔的中心間 距為11. 2mm，小孔的排布方式為如圖12所示的隨機排列；
[0069] (b)、將金屬水銀液滴注射到非潤濕表面的小孔內，然后用金屬水銀液體進行鋪 展。
[0070] 實施例6
[0071] 通過提高液固表面浸潤性實現液體大面積鋪展的方法，包括以下步驟：
[0072](a)、在非潤濕表面加工多個小孔，小孔的形狀為橢球形，橢球形的短徑垂直于非 潤濕表面，橢球形的長徑為6mm，短徑為3mm，小孔的深度為2mm;相鄰兩個小孔的中心間距 為8mm，小孔的排布方式為如圖11所示的矩陣排列；
[0073] (b)、將金屬水銀液滴注射到非潤濕表面的小孔內，然后用金屬水銀液體進行鋪 展。
[0074] 實施例1-6的非潤濕表面均為鋁板，并且鋁板均拋光后挖小孔，鋁板尺寸為長X 寬X厚IOOmmX30mmX10mm。對實施例1-6的液滴鋪展狀況在室溫下測定，分別測量接觸 角和鋪展。同時，以相同拋光的鋁板作為對照組，對照組分為3組，對照組1中的金屬液滴 為鋰；對照組2中的金屬液滴為水銀；對照組3中的金屬液滴為鎵銦錫；此外，對照組中接 觸角的測定所用液滴與實施例一致。
[0075] 接觸角的測定：接觸角采用實驗測量儀器PhantomMIROLC310高速相機進行拍 照，然后計算得到接觸角。實施例1-6中金屬液滴的接觸角在20-50° ;對照組中金屬液滴 的接觸角在150°以上。
[0076] 測量金屬液體在鋁板表面的鋪展，鋪展特性的測試方法如下：1、鋁板沿長度方向 均傾斜30° ;2、在實施例1-6的鋁板表面的加工球形孔內注滿金屬液滴；3、分別在實施例 和對照組的鋁板高的一端以同樣的流量和流速注入鎵銦錫液體，該液體在重力作用下沿鋁 板長度方向至上而下流動，用高速相機拍攝從上往下流動的鎵銦錫液體在鋁板表面的鋪展 情況，計算鋪展的寬度，結果如表1所示。
[0077] 表1金屬液體在鋁板表面的鋪展
[0078]

【權利要求】
1. 一種通過提高液固表面浸潤性實現液體大面積鋪展的方法，其特征在于，包括以下 步驟： (a) 、在非潤濕表面加工多個小孔，每個小孔與非潤濕表面的交點的切線與非潤濕表面 之間的夾角小于90° ; (b) 、將金屬液體在非潤濕表面鋪展即可。
2. 根據權利要求1所述的通過提高液固表面浸潤性實現液體大面積鋪展的方法，其特 征在于，小孔垂直于非潤濕表面的中心線長度為3-8mm，小孔的深度為小孔垂直于非潤濕表 面的中心線長度的1. 7/3-2. 3/3 ;相鄰兩個小孔的中心間距為小孔平行于非潤濕表面的中 心線長度的3. 4/3-4. 6/3。
3. 根據權利要求2所述的通過提高液固表面浸潤性實現液體大面積鋪展的方法，其特 征在于，小孔的深度為小孔垂直于非潤濕表面的中心線長度的1. 9/3-2. 2/3 ;更優(yōu)選為小 孔的深度為小孔垂直于非潤濕表面的中心線長度的2/3。
4. 根據權利要求2所述的通過提高液固表面浸潤性實現液體大面積鋪展的方法，其特 征在于，相鄰兩個小孔的中心間距為小孔平行于非潤濕表面的中心線長度的3. 8/3-4. 2/3 ; 更優(yōu)選為相鄰兩個小孔的中心間距為小孔平行于非潤濕表面的中心線長度的4/3。
5. 根據權利要求2所述的通過提高液固表面浸潤性實現液體大面積鋪展的方法，其特 征在于，所述小孔的形狀為球形或橢球形。
6. 根據權利要求5所述的通過提高液固表面浸潤性實現液體大面積鋪展的方法，其特 征在于，所述小孔為橢球形，橢球形的短徑垂直于非潤濕表面。
7. 根據權利要求6所述的通過提高液固表面浸潤性實現液體大面積鋪展的方法，其特 征在于，橢球形的短徑長度為2-5mm。
8. 根據權利要求1所述的通過提高液固表面浸潤性實現液體大面積鋪展的方法，其特 征在于，在步驟（b)中，所述金屬液通過將金屬液滴注射到非潤濕表面的小孔內，然后用金 屬液體進行鋪展； 其中，所述金屬液滴的體積不小于小孔的完整體積。
9. 根據權利要求1所述的通過提高液固表面浸潤性實現液體大面積鋪展的方法，其特 征在于，所述金屬液為鋰、水銀、鎵銦錫中的任一種。
10. 根據權利要求1-9任一項所述的通過提高液固表面浸潤性實現液體大面積鋪展的 方法，其特征在于，小孔的排布方式為交叉排列、矩陣排列和隨機排列中的任一種或多種。
【文檔編號】C23C6/00GK104357795SQ201410727861
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年12月3日 優(yōu)先權日:2014年12月3日
【發(fā)明者】陽倦成, 倪明玖, 劉佰奇, 張 杰, 齊天煜 申請人:中國科學院大學