Создание поверхностей с контрастной смачиваемостью для увеличения интенсивности теплообмена при кипении

Управление смачиваемостью поверхности материалов, используемых в высокоэффективной энергетике, микроэлектронике, микромеханике, высокоточном приборостроении, производстве устройств диагностики и анализа, производстве медицинского оборудования, авиа- и ракетостроении и т.д. может существенно улучшить их показатели. Смачиваемость материала существенно влияет на процессы, происходящие на его поверхности, такие как теплообмен, кипение, конденсация, испарение, динамика течения жидкости и другие. Особый интерес представляют поверхности с контрастной смачиваемостью на микро- и наноуровне. Такие поверхности обладают рядом преимуществ, например, повышают критические тепловые потоки при кипении за счёт супергидрофильных свойств, с одной стороны, но в тоже время препятствуют осаждению загрязнений из теплоносителя на теплообменную поверхность, с другой стороны, благодаря супергидрофобным свойствам. Производство таких поверхностей существующими методами достаточно сложно, трудоемко и не всегда возможно. Поэтому имеется потребность в разработке (развитии) недорогих, универсальных и масштабируемых методов модификации поверхностей различных материалов для достижения эффекта контрастной смачиваемости.В представленном проекте предлагается разработать оригинальный метод получения контрастного смачивания с помощью сочетания двух способов обработки поверхности – импульсной лазерной абляции и химического осаждения из активированной газовой фазы. Суть метода заключается в том, что гидрофильность покрытия с контролируемой степенью смачиваемости будет достигаться путем обработки материала лазерным излучением, а в качестве гидрофобной составляющей покрытия будет использоваться тонкая плёнка фторполимера, полученная методом химического осаждения из газовой фазы. Контрастное смачивание будет достигаться локальным удаление фторполимерного покрытия лазерным излучением. Будут установлены закономерности формирования морфологии поверхности с контрастной смачиваемостью. Будут изучены особенности процесса кипения жидкости и теплообмена на поверхности, сочетающей эффекты супергидрофобности и супергидрофильности.В проекте планируется:- определить способы управления смачиваемостью поверхностей материалов, востребованных в различных технологиях, с помощью лазерной обработки;- определить оптимальные параметры лазерного излучения для конкретных материалов позволяющих получать покрытия с супергидрофильными свойствами;- отработать технологию осаждения тонких фторполимерных покрытий с различной смачиваемостью на цилиндрическую поверхность малого радиуса (трубчатые нагреватели);- отработать технологию осаждения на супергидрофильные поверхности тонких супергидрофобных фторполимерных покрытий;- определить оптимальные параметры лазерного излучения для эффективного локального удаления супергидрофобных фторполимерных покрытий с предварительно созданных супергидрофильных материалов для придания им контрастной смачиваемости на микроуровне;- исследовать морфологию, элементный состав, свойства полученных и обработанных покрытий с супергидрофильной, супергидрофобной и контрастной смачиваемостью;- установить основные закономерности связывающие, морфологию и состав поверхности различных материалов с их смачиваемостью;- определить влияние поверхностей с контрастным смачиванием с различной геометрией гидрофильно/гидрофобных областей на локальные характеристики и теплообмен при кипении воды на линии насыщения;- получить новые экспериментальные данные о влиянии фторполимерных покрытий с различной морфологией на динамику парообразования, теплообмен и критические тепловые потоки при кипении жидкого азота;- развить и адаптировать существующую модель тепло- и массообмена в системах с фазовыми переходами на основе метода решеточных уравнений Больцмана для задачи моделирования кипения на поверхностях с различной смачиваемостью, провести моделирование процесса кипения различных жидкостей на супергидрофобных, супергидрофильных и контрастных поверхностях, спрогнозировать оптимальную конфигурацию (размер и порядок размещения супергидрофильных и супергидрофобных зон), обеспечивающую интенсификацию теплообмена при кипении и увеличение критического теплового потока.