金属丝网超亲/疏水性强化气液相界面运动

利用多孔结构进行液体的导流和气液分离是近年来强化传热的研究热点,主要原理是气液固三相界面的受力平衡,固相材料的亲疏水性则是决定微孔内气液固三相界面运动规律的关键因素。针对具有一定亲水性的金属铜网,进行超亲水和超疏水处理;考察多孔结构亲疏水性对相界面以及气液两相分离效果的影响。结果表明,金属铜网具有浸润自相容性;经过亲疏水表面改性后,超亲水性能阻挡气泡的通过;超疏水性能的多孔铜网更易与气体为伍,形成致密气封膜,阻挡液体进犯。静态实验测定多孔丝网的浸润自相容能力,接触角为151°丝网,对液相阻滞力为117.6 N·m~(-2);接触角为0°的超亲水丝网对气相阻滞力为49 N·m~(-2),并建立了多孔结构浸润自相容性与分离临界气泡尺寸的数学关联。     

不同浸润性冷表面上水滴碰撞结冰的数值模拟

对冷水滴撞击不同表面时的动力学行为和相变过程进行了模拟。通过耦合VOF和Level-set方法追踪气液自由界面,结合焓-孔隙度相变模型,模拟水滴撞击冷表面的动力学行为及相变特征。选取亲水（接触角30°）、疏水（接触角114°）和超疏水（接触角163°）3种典型浸润性的表面,计算了多种壁温条件下的水滴撞击结冰过程。结果表明提高表面疏水性,将减小水滴与冷表面的接触时间和接触面积,降低水滴内的相变速率,延缓水滴结冰的时间。在表面温度高于-15℃时,超疏水表面可以避免冷水滴的冻结黏附,保持表面洁净。将模拟得到的最大铺展直径、回缩速率以及冻结情况,与已有实验结果进行对比验证,表明了模拟方法的有效性和准确性。     

液滴撞击不同浸润性壁面动态过程的数值模拟

采用VOF方法模拟了液滴以相同速度撞击到接触角分别为63°、90°、118°和160°的固体壁面上的形态演变过程。结果表明:固壁的亲憎水性对液滴撞击表面后形态的演化有较大影响,亲水壁面有利于液滴的铺展,在接触角为90°的壁面上液滴部分反弹,而当接触角为160°时,液滴完全反弹;当三相接触线开始回缩时,中心液体的表层部分在惯性力的作用下继续向铺展的液滴边缘聚集,导致近中心处液膜逐渐减薄至断裂,最终形成边缘较厚的液环;同时,液滴最大铺展系数随壁面接触角的增大而减小,达到最大铺展系数的时间也相应缩短。     

内疏外亲SiO_2气凝胶的制备及表征

以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源,无水乙醇为溶剂,硝酸为催化剂,氨水为凝胶剂,经溶胶-凝胶过程制备块状湿凝胶。再以三甲基氯硅烷(TMCS)为疏水改性剂,3-氨丙基三羟基硅烷为亲水改性剂对制备的湿凝胶进行改性处理,最后经超临界CO2干燥得到块体SiO2气凝胶。考察了亲水改性剂加入量分别为0、0.15、0.75、1.5、2.70 mL时对块体SiO2气凝胶亲水性的影响,并通过扫描电子显微镜(SEM)、接触角、吸水率、红外光谱(FT-IR)等对气凝胶进行表征。结果表明:所得气凝胶块体具有纳米多孔结构,内部疏水(最大接触角可达123°),表面亲水,试样亲水性随亲水剂用量的增加而增大;同一试样亲水性存在一定的梯度变化,亲水性由内到外逐渐增强。     

非均匀润湿性微通道表面池沸腾换热特性

采用高温热氧化与表面改性技术并结合电火花线切割工艺在紫铜表面制备了3类非均匀润湿性微通道表面,微通道顶部接触角分别为8.6°、88.1°、156.1°,通道内部接触角为113.2°。经饱和池沸腾试验表明,具有超亲水性顶部（θ=8.6°）和超疏水顶部（θ=156.1°）的微通道表面临界热通量分别较紫铜表面（θ=88.1°）提高了61%和35%,最大传热系数分别提高了2.3倍和6倍。气泡动力学可视化研究表明：非均匀润湿结构能够显著抑制气泡的合并与团聚,使得气泡之间存在的间隙成为液体补充路径,这是临界热通量提高的主要机理。     

膜蒸馏用PVDF抗复合污染膜的制备与测试

为提高膜的抗污染能力,对聚偏氟乙烯（PVDF）平板膜进行表面涂覆改性,得到超疏水PVDF平板膜,再将超疏水PVDF平板膜进行表面亲水化改性,制备出超疏水/亲水复合PVDF膜。当PVDF的质量浓度为2%、聚乙二醇（PG）的质量浓度为39%、涂敷液温度为50℃、蒸发时间为10 s、凝固浴温度为60℃时,超疏水PVDF平板膜接触角达到154.8°。表面亲水改性制得的PVDF超疏水/亲水复合膜的接触角为41°。然后研究了超疏水PVDF平板膜和PVDF超疏水/亲水复合膜的抗膜污染性能。结果显示,超疏水PVDF平板膜具有优良的抗无机污染性能和一定的抗有机污染性能;PVDF超疏水/亲水复合膜不仅具有优良的抗无机污染性能,而且其抗复合污染性能尤其是抗有机污染性能得到明显提升,为进一步构建高性能膜蒸馏抗污染膜提出了一个可行的技术方向。     

疏水表面液滴合并弹跳过程的数值模拟

液滴合并弹跳对强化热泵空调系统中的凝结传热及防结霜、除霜等方面均有良好的应用前景。在综合考虑固-液、气-固和气-液表面自由能,重力势能,液滴内部黏性耗散功及表面黏附功的基础上建立了液滴合并及弹跳的分阶段能量模型,并进行了超疏水表面不同半径液滴合并弹跳时的模型模拟与实验验证,得到较好的吻合。基于该模型研究了液滴数量、半径均匀性及不同表面状态对液滴合并弹跳过程的影响规律。结果表明,液滴数量增加时,合并阶段临界接触角由120°减小至105°,半径尺寸均匀性增加时,弹跳阶段临界接触角从140°减小至130°。当表面接触角大于140°时,固液接触系数影响微乎其微。可见,液滴数量的增多及液滴尺寸均匀性的提升有利于合并弹跳过程的发生,固液接触系数对合并弹跳过程的影响程度随表面接触角的增大而减小。     

Ag-TiO2多孔薄膜及其非紫外光辐照下的超亲水特性

采用溶胶凝胶法，以钛酸丁酯为前驱体、硝酸银络合物为银源、聚乙二醇2000（PEG2000）作为结构导向剂，制备超亲水多孔Ag-TiO₂复合薄膜。用X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪、扫描电镜、原子力显微镜表征薄膜晶相结构、化学成分以及表面形貌。根据静态水接触角、动态润湿时间、超亲水长效稳定性综合评价不同Ag含量及PEG2000添加量薄膜的超亲水性能。研究发现，掺杂Ag与PEG2000对薄膜在非紫外光下的超亲水特性具有协同作用，掺杂Ag明显提高薄膜动态润湿速度及可见光响应，表面粗糙多孔结构有利于避光条件下的长效超亲水特性。Ag含量10%、PEG2000掺杂量5%的Ag-TiO₂复合薄膜在自然光条件下已具备优良的超亲水性能；水滴0.2 s内即可在表面完全铺展到0°；避光条件下保存，超亲水时效性可达到30 d以上。在可见光活化下即可强化超亲水性能，具有良好的防雾效果。     

微小通道内不同润湿性表面流动冷凝传热

利用丝网烧结和聚四氟乙烯溶液（Teflon）浸渍法,在铜表面上制备了亲疏水匹配的结构,即在疏水四氟涂层上有阵列排布的椭圆亲水点,仅有四氟涂层的全疏水表面和不作修饰的全亲水铜表面作为对照,考察了以这三种表面为底部换热区域的矩形微小通道（水力直径1.5 mm）的换热特性和流动特性。实验的通道内蒸汽质量流速为10～60 kg·m^-2·s^-1,干度为0.3～1,亲疏水匹配表面与亲水表面相比,蒸汽冷凝传热系数（HTC）最高增加了454.6%,与全疏水表面相比,传热系数最高增加了107.3%,利用高速相机拍摄可视化照片,观察了通道内气液两相,尤其是表面液滴成核、聚并、冲刷的周期运动过程,解释了亲疏水匹配表面强化传热的机理。     

超疏水/亲水性结构表面流动沸腾传热实验研究

用激光烧蚀方法在抛光后的铜上制备出四种无需涂覆修饰即可获得超疏水/亲水性的规则微阵列结构表面。基于流动可视化与温度数据结果,分析了表面浸润性和过冷度对流动沸腾传热性能的影响,与经典汽化核心密度关联式进行了对比。结果表明：疏水表面可削弱单相对流传热,大幅强化沸腾传热,最大传热系数提高了75.5%,沸腾起始点提前3.5 K,且汽化核心数目较裸铜表面提高了5倍以上,但有较低的临界热通量。超亲水表面可增强单相对流传热、小幅度提升流动沸腾传热。对比亲水表面与疏水表面的气泡生长过程,发现疏水表面尾端气泡容易汇聚,生长周期较长;而亲水表面没有发生明显的气泡汇聚行为,气泡生长周期较短。     

厌氧氨氧化颗粒污泥的快速形成

以好氧硝化颗粒污泥与厌氧氨氧化生物膜作为接种污泥,在缺氧条件下利用EGSB反应器培养厌氧氨氧化颗粒污泥。根据反应器内污泥性状以及运行效果,随时调整反应器的进水基质浓度以及上升流速等关键控制因素,加快厌氧氨氧化颗粒污泥的快速形成。同时考察系统的脱氮效能、粒径分布、厌氧氨氧化颗粒污泥表面形态以及内部结构与微生物分布情况。反应器运行80 d后,培养出成熟的厌氧氨氧化颗粒污泥,平均粒径为0.556 mm;89 d时,总氮去除负荷达4.758 kg N·m^-3·d^-1。FISH表明颗粒污泥中厌氧氨氧化菌为优势菌种,同时SEM与TEM观察表明颗粒污泥是由多个小颗粒聚集形成,而且形状不规则,内部结构排列紧密。     

基于不同润湿性微细通道过冷沸腾起始点（ONB）的实验研究

为了研究微细通道壁面润湿性对过冷沸腾起始点（ONB）的影响,采用CuCl₂溶液刻蚀普通光滑表面微细通道得到超亲水表面微细通道,再用氟硅烷溶液修饰超亲水表面微细通道得到超疏水表面微细通道。以R141b为实验工质,在压力为170kPa、质量流率302.7~417.2kg/（m²·s）、热流密度2.17~29.9kW/m²的工况下进行流动沸腾实验。结果表明：超疏水表面微细通道ONB点的过热度最低,普通光滑表面微细通道达到ONB点所需过热度最高;随着热流密度的增大,距离出口最近的测点最先开始沸腾,达到ONB点所需过热度也为最小;随着质量流率的增大,ONB点的过热度逐渐增大。本文选取了7种典型的ONB点处壁面过热度预测公式,将实验值与公式预测值进行对比,发现HSU模型的预测效果最好,对光滑/超亲水/超疏水表面微细通道ONB过热度预测平均绝对误差（MAE）值分别为13.1%、20.8%和21.5%。为了更好地预测具有特殊润湿性表面的ONB过热度,引入表面能参数对HSU模型进行修正,预测精度大大提高。     

含有MCM-41分子筛的混合基质复合膜用于CO2分离

为了提高CO₂分离膜的性能,将接枝了氨基的MCM-41分子筛(MCM-NH₂)添加到聚乙烯基胺(PVAm)水溶液中配制涂膜液,并将PVAm-MCM-NH₂涂膜液涂覆到聚砜(PSf)超滤膜上制备PVAm-MCM-NH₂/PSf混合基质复合膜。复合膜分离层较薄,有利于CO₂渗透速率的提高。接枝的胺基提高了分子筛与聚合物的相容性和膜内胺基含量,有利于膜渗透选择性能的提高。使用CO₂/N₂混合气(15% CO₂ + 85% N₂,体积分数)考察了不同MCM-NH₂添加量的PVAm-MCM-NH₂/PSf膜的渗透选择性能。当涂膜液中m_MCM-NH2/m_PVAm为0.2、湿涂层厚度为50 μm,测试温度为22℃ 、进料气压力为0.11 MPa时,膜的CO₂渗透速率可达4.66×10^-7 mol·m^-2·s^-1·Pa^-1,CO₂/N₂分离因子可达150。较高的CO₂/N₂分离性能表明PVAm-MCM-NH₂/PSf膜在烟道气碳捕集领域具有良好的应用前景。此外,考察了湿涂层厚度、热处理、添加小分子胺等条件对膜渗透选择性能的影响。     

超亲水毛细芯环路热管启动及热性能分析

为解决电子设备高热通量下的散热问题，采用H₂O₂氧化法对烧结毛细芯进行了超亲水改性，研究了毛细芯表面润湿性对吸液性能的影响。并将改性后的超亲水毛细芯应用到环路热管内，研究了倾斜角度及加热功率对超亲水毛细芯环路热管的换热特性的影响。实验结果表明：超亲水毛细芯的吸液速度增加，吸液时间较亲水毛细芯减小了3.52ms；与普通亲水毛细芯环路热管相比，在加热功率Q=200W时，超亲水毛细芯环路热管蒸发器中心温度降低了约6.0℃，在Q=20W时启动时间与温度分别降低了33s与2.5℃。同时发现超亲水毛细芯环路热管在正重力状态时的运行温度更低，热阻较小，最低热阻仅为0.084℃/W。     

Effect of Microstructure on the Tribological and Mechanical Properties of CuO-Doped 3Y-TZP Ceramics

Dense 8 mol% CuO-doped 3Y-TZP ceramics were prepared by pressureless sintering for 8 h at 1500° and 1550°C, respectively. Transmission electron spectroscopy revealed that the ceramic sintered at 1500°C exhibits grain boundaries free of any amorphous phase, while crystalline copper-oxide grains were found in the zirconia matrix, whereas the sample sintered at 1550°C contains a Cu-rich amorphous grain boundary layer. The tribological behavior of these materials was tested under dry-sliding conditions using a pin-on-disk tribometer. The material sintered at 1500°C showed self-lubrication resulting in a low coefficient of friction ( f ) of 0.2–0.3 and a low specific wear rate ( k ) ≪ 10⁻⁶ mm³·(N·m)⁻¹. In contrast, the material sintered at 1550°C showed poor tribological behavior ( f =0.8–0.9; k ≫ 10⁻⁶ mm³·(N·m)⁻¹ under the same conditions. The difference in the tribological behavior of these two materials was interpreted on the basis of mechanical properties and microstructural characteristics.     

鳞片状BiVO4不锈钢网涂层的制备及其在油水分离中的应用

随着石油泄漏事故的频繁发生和工业含油废水的大量排放,现代化工油水分离问题日益突出。具有特殊润湿性的材料可以选择性透过水或油,分离效率高且操作简单而广泛应用于油水分离。本文以不锈钢网为基底,通过液相法可控制备得到具有不同尺寸、排列的BiVO₄纳米片涂层。通过扫描电子显微镜、原子力显微镜、接触角测量仪对其表面形貌与润湿性能进行表征,研究BiVO₄纳米片尺寸和排列对水下疏油性能的影响。结果表明当不锈钢网表面均匀生长着鳞片状BiVO₄,且这些纳米片随机放射排列时,涂层水下油接触角达到了165.1°,倾斜角仅为2.0°,具有水下超疏油性质。将该涂层用于油水混合物的分离,分离效率均在95.0%以上且分离通量最大可达1.4×10⁴L/(m²·h),在油水分离领域展现出巨大的应用潜力。     

Humidity-control assists high-efficient coal fly ash removal by PTFE membrane

In the present study, the effects of relative humidity on filtrating coal-fired fly ash with hydrophobic poly tetra fluoroethylene (PTFE) membranes were investigated. The intergranular force of particulate matter at different RH conditions was measured by analyzing the critical angle between particles. Effects of humidity (from 30% to 70%) on filtration pressure drop and membrane fouling conditions were characterized. It was found the membrane showed optimal filtration resistance of 530 Pa at RH of 60% and the gas permeance can be maintained at 1440 m³·m^-2·h^-1·kPa^-1. Moreover, to optimize the operation parameters for this filtration system, effects of fly ash concentration, diameter, membrane pore size, and gas velocities were systematically investigated.     

导向格栅规整填料萃取塔的操作性能

对一种新开发的导向格栅规整填料萃取塔的水力学特性和传质性能进行了系统的实验研究。结果表明,新型导向格栅填料萃取塔的通量比传统萃取塔有了大幅度的提高,当流速比L_R(分散相:连续相)为1:5时,液泛通量达到150 m³·m^-2·h^-1。该填料萃取塔同时具有较好的传质性能,在石油炼制溶剂脱沥青、煤化工废水萃取脱酚等工业过程有良好的应用前景。     

Reversible Switching of Surface Wettability and Water Adhesion on a Polymer Nano-composite Coating

Abstract

Super-hydrophobic polymer/ZnO nano-composite coatings were fabricated by a simple spray-coating method. When the prepared super-hydrophobic coating was directly illuminated by UV light, the surface was fully covered with the hydrophilic groups, which created a state of super-hydrophilic wettability. When UV light illuminated the surface through a mask, the surface maintained its super-hydrophobic property, but the adhesion of a water droplet changed from sliding easily to a highly sticky movement. More importantly, the initial surface wettability and water adhesion can be re-established by heat treatment, and these processes were repeated, with full reproducibility, for a number of cycles.     

Tribological Behavior of Ti2SC at Ambient and Elevated Temperatures

The tribological properties of Ti₂SC were investigated at ambient temperatures and 550°C against Ni-based superalloys Inconel 718 (Inc718) and alumina (Al₂O₃) counterparts. The tests were performed using a tab-on-disk method at 1 m/s and 3N (≈0.08 MPa). At room temperature, against the superalloy, the coefficient of friction, μ, was ∼0.6, and at ∼8 × 10⁻⁴ mm³·(N·m)⁻¹ the specific wear rate (SWRs), was high. However, against Al₂O₃, at ∼5 × 10⁻⁵ mm³·(N·m)⁻¹ and ∼0.3, the SWRs and μ were significantly lower, which was presumably related to more intensive tribo-oxidation at the contact points. At 550°C, the Ti₂SC/Inc718 and Al₂O₃ tribocouples demonstrated comparable μ's of ∼0.35–0.5 and SWRs of ∼7–8 × 10⁻⁵ mm³·(N·m)⁻¹. At 550°C, all tribosurfaces were covered by X-ray amorphous oxide tribofilms. At present, Ti₂SC is the only member of a family of the layered ternary carbides and nitrides (MAX phases) that can be used as a tribo-partner against Al₂O₃ in the wide temperature range from ambient to 550°C.