水滴撞击黄铜基超疏水表面的破碎行为研究

Ｒeceived 22 January 2013 ，revised 17 June 2013 ，accepted 16 July 2013 ，available online 28 September 2013． * Corresponding author． E － mail： huhaibao@ nwpu． edu． cn，Tel： + 86 － 29 － 88491571． The project was supported by the National Nature Science Foundation of China （ 51109178 ） ，Science and Technology Innovation Foundation of NWPU （ JC20120218 ） ． 国家自然科学基金项目（ 51109178 ） 和西北工业大学基础研究项目（ JC20120218 ） 资助．
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Fig． 2
Schematic figure of the experimental setup 图2 试验装置简图
Pa · s ， 表面张力 σ 为0 ． 0728 N / m． 水
第5 期
胡海豹， 等： 水滴撞击黄铜基超疏水表面的破碎行为研究
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滴发生装置由微量注射泵和不同型号的针头组成 ， 水滴在压力的驱动下从水滴发生装置的针头顶部脱 离， 以一定的速度撞击在超疏水表面上 ． 通过改变微 量注射泵的推进速度和改变针头的内径实现不同直 径水滴的产生， 而水滴的撞击速度则通过改变滴落 高度实现． 不同的针头内径产生的水滴的直径不同 ， 为使试验结果之间的差异明显， 选取了两种直径的 水滴进行撞击试验（ 2． 99 和 2． 49 mm） ．
角 θ 分别为 128． 8 ± 1° 和 164． 5 ± 1°． 1 ． 2 试验装置与过程 为研究超疏水表面上水滴的破碎行为， 选试件 2 为试验试件． 进行水滴撞击试验装置主要包括高 PC 机和配有不同 速摄像机 （ ＲED LAKE ，IDT N4 ） 、 内径针头的液滴发生装置， 示意图如图 2 所示． 试验 中高速摄 像 机 的 采 集 频 率 为 1 000 fps， 后期使用 Imagepro － plus 软件对采集到的图片进行测量和分 析， 包括接触时间、 撞击速度、 破碎过程等． ， 试验用水采用蒸馏水 试验温度为 20 ℃ ， 该温 －3 998 kg / m ， 度下 水 的 密 度 ρ 为 黏性系数 μ 为 1． 002 × 10
（ a） Vertical view
（ b） Front view Fig． 3 Breakup of droplets impacting on the surface 图3 水滴的破碎现象
Mundo 等［13］在对水滴撞击亲水性表面中的试 水滴在高达 12 m / s 的速度下会发生破 验中发现， 碎． 在我们的试验中发现， 水滴发生破碎的初始撞击 即水滴 速度要远远小于亲水性表面上的撞击速度 ， 撞击在疏水表面上更易发生破碎 ． 试验中同样发现， 水滴发生破碎现象具有一个明显地临界撞击速度 ， 而不同直径的水滴发生破碎现象的临界撞击速度不 同， 大直径水滴更易于发生破碎现象 ， 试验中发现两 种直径水滴在试件 2 表面上发生破碎现象的临界速 度分 别 为 1． 79 m / s （ 2． 49 mm ） 和 1． 68 m / s （ 2． 99 mm） ． 当水滴的撞击速度大于该临界速度并 继续增加时， 水滴都会发生破碎现象， 并且伴随着破 碎小水滴的无规则运动． 当水滴在一定速度下撞击超疏水表面但未发生 破碎时， 在铺展过程中会伸出手指状分支 ， 这些分支 如图 4 （ a ） 在水滴收缩的过程中会回缩到水滴内部 ， 所示； 当水滴的撞击速度继续增大时， 水滴在铺展过 程中同样会伸出手指状分支， 这些分支会在水滴达
到最大铺展直径时脱 离 水 滴 整 体 并 向 外 运 动［见 ； 而同速度下水滴撞击疏水性试件 1 的行 图 4 （ b） ］ 可以发现， 疏 为如图 4 （ c） 所示． 对比图 4 （ b） 和（ c） ， 水性越好的表面上， 水滴撞击后更容易发生变形， 更 容易破碎． 而随着撞击速度的增加， 水滴的破碎现象 在铺展 不仅仅发生在水滴铺展到最大直径的时候 ， 过程中就 伴 随 着 水 滴 的 破 碎 和 小 水 滴 的 分 离， 如 图 4 （ d ） 所示． 对于完全均匀的理想表面， 分支应该 是完全对称并均匀分布的
Breakup Phenomenon of Droplets Impacting on a Superhydrophobic Brass Surface
HU Hai － bao * ，CHEN Li － bin，HUANG Su － he，DU Peng
（ School of Marine Science and Technology，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072 ，China） Abstract： Experiment of droplets impacting and breakup on self － fabricated superhydrophobic brass surface had been recorded with a high speed camera，and breakup dynamics，the condition to break up and diameter＇s spreading regularity were also analyzed． The results demonstrate that droplets of different diameters broke up at certain velocities． The larger volume of droplets，the lower critical velocity for breakup． In accordance with energy conversion，theoretical analysis of breakup process was given and a function to predict the critical impact velocity was derived from energy conservation condition． The calculated values were in good agreement with the experimental values，with the maximum relative error of less than 10% ． Key words： superhydrophobic，droplets，impact，breakup
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2． 1
结果和讨论
破碎现象的实验观测
当撞击速度增加到一定程度， 水滴撞击超疏水 表 面 后 会 发 生 破 碎 现 象． 实 验 进 行 了 0． 14 到 4． 6 m / s等 10 种速度下水滴的撞击试验， 水滴的破 碎现象如图 3 所示 （ 撞击速度 1． 85 m / s， 水滴直径 2． 49 mm） ．
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摩
擦
学
学
报
第 33 卷
水表面上水滴的滑移现象， 研究中发现水滴的低黏 度会 导 致 水 滴 的 滑 移 速 度 比 滚 动 速 度 高． Wang 报道了水滴撞击在 163° 的超疏水表面上发生 ［10 － 11 ］ 的弹跳现象． Longquan Chen 等 通过高速摄像 技术观察了疏水表面上水滴的弹跳现象， 并给出了 又通过对比人造表 水滴发生弹跳现象的速度区间， 面与荷叶表面的弹跳现象的对比， 探讨了铺展速率 Stone 等［12］ 与回缩速率的影响因素． 对于破碎现象， 和 Mundo 等 对水滴撞击亲水性表面进行了观测 、 实验和模型建立， 而水滴撞击疏水表面后破碎现象 的研究还未见详细报道． 针对疏水表面上水滴的破碎现象， 本文中利用 在自制的超疏水黄铜表面上开展了 高速摄像技术， 并对发生破碎的 水滴撞击后破碎行为的测试研究， 机理和临界速度进行了分析和推导 ．
究开始受到越来越多研究者的关注． 水滴撞击超疏 水表面后会发生铺展、 滑移、 沉积、 溅射和破碎等多 种现象
［1 － 12 ］
． Alain Merlen［3］ 和 Bartolo 等［4 － 5］ 对 水
滴撞击亲水性和超疏水性固体壁面产生的铺展现象 ［6 ］ 进行了观测和分析． Pasandideh － Fard 等 通过理 论分析给出了疏水表面上水滴最大铺展直径的理论 表达式， 并研究了疏水性表面上水滴的力学特性 ． Pengfei Hao 等［7］ 和 Naoya Yoshid 等［8］ 报 道 了 超 疏
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机理、 发生破碎现象的条件和破碎过程中直径铺展规律进行了分析 ． 测试结果表明： 一定速度下不同直径的水滴均 会发生破碎， 直径越大的水滴破碎速度越低 ． 从能量守恒角度， 对上述现象过程进行了定性的力学解释并推导出水 滴在超疏水表面上发生破碎现象的临界速度的计算公式， 该公式预测值与实验值的偏差小于 10% ． 关键词： 超疏水； 水滴； 撞击； 破碎 中图分类号： O351 ； O647． 5 文献标志码： A 文章编号： 1004 － 0595 （ 2013 ） 05 － 0449 － 07
［13 ］
微 / 纳米二级结构和对微 / 纳二级结构的表面进行低 表面能化学修饰是两类制备超疏水表面的基本方 法． 根据第二类方法， 采用化学蚀刻和溶液浸泡相结 合的方法制备出超疏水性黄铜表面． 依据黄铜脱锌 ［14 ］ 的溶解再沉积机制 ， 在酸性条件下黄铜合金中的 当溶液中的铜离子达到一定浓度 ， 铜 锌和铜先溶解， 离子被还原， 再次沉积在表面并形成疏松多孔的铜 层． 具体的制备过程流程如下： ① 打磨铜片， 依次用 去污粉、 丙酮、 去离子水洗净； ②配置化学蚀刻溶液， 溶液中 V（ HCl） ∶ V（ HNO3 ） ∶ V （ HF） = 3∶ 1∶ 0． 5 ， 搅拌均匀后加水稀释； ③ 将铜片放入蚀刻溶液中分 别蚀刻 3 min（ 试件 1 ） 和 5 min （ 试件 2 ） ； ④ 配置硬 称取一定量的硬脂酸和无水乙醇混合 ， 配 脂酸溶液， 置成二次修饰溶液； ⑤ 将蚀刻后铜片浸入修饰液中 1 h， 室温下干燥． JSM － 6390 ） 观察蚀 使用扫描电镜 （ SEM， 日本， 刻 5 min 的表面微观结构照片如图 1 （ a ） 所示， 蚀刻 后的表面疏松多孔并具有大量微结构． 经过硬脂酸 溶液的修饰， 试件表面达到疏水状态， 对水的接触角 如图 1 （ b ） 和 （ c ） 所示 （ 接触角测量仪型号 OCA － 20 ， 2 表面对水的接触 德国， 机器精度 ± 1° ） ． 试件 1 、
等
［9 ］
1
1． 1
实验部分
超疏水表面制备
对水滴的接触角 θ 超过 150° 的固体壁面被称 这类壁面表面具有微 / 纳二级粗糙结 为超疏水表面， 构， 并具有较低表面能． 在低表面能材料上加工出
Fig． 1
SEM micrograph of the structure，image of the WCA （ etching time is 3 and 5min respectively） 图1 表面微观结构的 SEM 照片以及表面接触角照片（ 蚀刻时间分别为 3 和 5 min）
第 33 卷 第 5 期 2013 年 9 月
摩 擦 学 学 报
Tribology
Vol 33 No 5 Sept， 2013
水滴撞击黄铜基超疏水表面的破碎行为研究
* 胡海豹 ， 陈立斌， 黄苏和， 杜
鹏
（ 西北工业大学 航海学院，陕西 西安 710072 ） 摘 要： 采用高速摄像技术， 在自制的超疏水黄铜表面上开展水滴撞击后破碎行为的实验， 并对水滴破碎现象力学
液滴撞击固体表面在交通、 新能源、 航空航天等 领域十分常见， 并且具有非常重要的科研价值． 如提 高农药喷洒中农药的利用率、 减少航行器运动过程 中的阻力、 降低管道输水输油过程中的能量损耗等 方面的科学研究， 都与液滴撞击固体表面的机制密 不可分． 受自然界中荷叶等疏水性植物叶面上水滴独特 现象的启发， 近年来疏水性表面上水滴撞击特性研