【摘 要】
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温室效应引发的全球变暖已造成世界多地自然灾害发生,导致大量财产损失和人员伤亡。各国对温室气体的限排和能源结构的优化已达成共识,我国作为碳排放大国,在节能减排方面的调整和升级迫在眉睫。理论研究表明在涡轮机、内燃机等能源转换领域,新兴的M-cycle间接蒸发冷却技术(Maisotsenko indirect evaporative cooling)能使能源利用率提高50%以上。超润湿材料作为此技术核心
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温室效应引发的全球变暖已造成世界多地自然灾害发生,导致大量财产损失和人员伤亡。各国对温室气体的限排和能源结构的优化已达成共识,我国作为碳排放大国,在节能减排方面的调整和升级迫在眉睫。理论研究表明在涡轮机、内燃机等能源转换领域,新兴的M-cycle间接蒸发冷却技术(Maisotsenko indirect evaporative cooling)能使能源利用率提高50%以上。超润湿材料作为此技术核心,如何保证其芯吸性能和稳定性已成为该领域的关键科学问题。本文利用飞秒激光微纳制造技术制备了一种超润湿钛合金材料;通过研究超润湿钛合金材料表面的毛细动力学和蒸发热力学,定量研究了材料的润湿性能和蒸发功能;对超润湿钛合金材料的应用领域进行了评估和验证,表明其在改善内燃机和涡轮机冷却结构、提高其热交换效率中的适用性,具体研究过程如下:首先,本文利用飞秒激光微纳制造技术,在Ti90-Al6-V4合金材料表面制备出一维微通道阵列结构。在激光与材料相互作用过程中,表面等离子体极化激元在一维毛细管微通道壁上产生了规则的激光诱导周期性表面结构(laser-induced periodic surface structures,LIPSS),制备出从几纳米到几十微米跨越四个量级的多尺度微纳结构。利用激光共聚焦显微镜测得微通道阵列的平均深度为78μm,相邻微通道之间的平均间隔为76μm,此材料表现出超润湿性能。其次,研究了不同温度下,液体在超润湿材料表面的毛细动力学和蒸发热力学,把材料表面温度控制在23-230℃,使用高速相机记录液体在样品表面扩散的动力学过程,与此同时,使用红外热像仪记录了材料表面温度演化过程。研究发现,当温度为120℃时,虽然液体表面的液膜出现了沸腾现象,液体在材料表面依然能快速扩散,其最高扩散速度达到348.5 mm/s,甚至当温度为230℃时,液体表面的液膜出现了溅射现象,液体在材料表面仍然能快速扩散,其最高扩散速度为248.6 mm/s。研究表明,超润湿钛合金材料在230℃时仍然保持良好的润湿性和高效传热特性。最后,研究了钛合金材料表面润湿性能的耐高温性和液体在材料表面的蒸发率,使用自主设计搭建的热流风道实验平台测试样品在不同风速和温度的润湿性能和蒸发效率,调控风道内风速和温度来模拟真实的应用环境。研究发现即使在温度为200℃,风速为14 m/s时,样品仍能保持十分优异的润湿性能,此时的蒸发率达到了1005μg·cm-2·s-1。实验数据显示,超润湿钛合金材料在不同温度下的热流风道实验中表现出了良好的润湿性能和蒸发功能,蒸发速率随着温度与风速的提高稳定增加。
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