專利名稱：一種可降低自驅(qū)動(dòng)Leidenfrost液滴臨界溫度的復(fù)合膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基底材料表面改性技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種可降低自驅(qū)動(dòng) Leidenfrost液滴臨界溫度的復(fù)合膜及其制備方法。
背景技術(shù)：
自20世紀(jì)90年代初，Manz提出芯片實(shí)驗(yàn)室概念以來，以化學(xué)、生物學(xué)和材料科學(xué)等學(xué)科為基礎(chǔ)的微流體控制技術(shù)得到了快速發(fā)展。早期研究主要集中于微通道內(nèi)連續(xù)流系統(tǒng)的操控?；趥鹘y(tǒng)連續(xù)流系統(tǒng)中液滴不易操控的難點(diǎn)，近年來研究重點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)向易于操控的離散化微液滴。離散微液滴的操控方式主要有聲波法、機(jī)械振動(dòng)法、電驅(qū)動(dòng)法、熱梯度法、表面化學(xué)法等。其中，垂直于液滴運(yùn)動(dòng)方向的溫度梯度法，在無其它外力作用下可實(shí)現(xiàn)微液滴的快速傳遞。1756年，德國科學(xué)家J. G. · Leidenfrost發(fā)現(xiàn)高溫(高于飽和溫度150 210°C ) 熱表面上水滴因液固界面間蒸汽層的保護(hù)而致液滴蒸發(fā)延緩，此狀態(tài)下液滴稱之為 Leidenfrost液滴。通常，隨著熱表面溫度的升高，表面上液滴逐步由潤濕轉(zhuǎn)為反潤濕，歷經(jīng)單相蒸發(fā)態(tài)、核蒸發(fā)態(tài)、沸騰過渡態(tài)與膜蒸發(fā)態(tài)。當(dāng)液滴進(jìn)入膜蒸發(fā)態(tài)后，因?yàn)橐旱蔚撞空羝麑拥男纬?，液滴自潤滑能力明顯增強(qiáng)。液滴由沸騰過渡態(tài)向膜蒸發(fā)態(tài)轉(zhuǎn)變臨界溫度稱之為Leidenfrost溫度。2006年，H. Linke等人的研究首次將自驅(qū)動(dòng)Leidenfrost液滴的運(yùn)動(dòng)速度提升至5cm/s。其研究表明，Leidenfrost液滴的快速運(yùn)動(dòng)能力，既來源于溫度梯度的推動(dòng)，也得益于液滴與表面間蒸汽層的潤滑減阻作用。但是，過高的表面溫度需求(通常高于200°C )，成為阻礙Leidenfrost液滴在微器件中拓展應(yīng)用的主要因素。因此，開發(fā)低Leidenfrost溫度的表面材料對(duì)提高無動(dòng)力制冷效率、降低精密熱控器件能耗和滿足芯片實(shí)驗(yàn)室低溫溫控需求都有著積極的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)目的是針對(duì)目前基底材料表面液滴的Leidenfrost溫度較高，通常高于200°C，因而在較低溫度區(qū)間，例如100°C 200°C的熱表面上難以自動(dòng)激發(fā)成為 Leidenfrost液滴的問題，提供一種基底材料表面的復(fù)合膜及其制備方法，液滴在該復(fù)合膜上能夠降低其Leidenfrost溫度，即能夠在較低溫度下自動(dòng)激發(fā)為自驅(qū)動(dòng)Leidenfrost液滴。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的所采用的技術(shù)方案為一種可降低自驅(qū)動(dòng)Leidenfrost液滴臨界溫度的復(fù)合膜，該復(fù)合膜位于基底材料表面，所述的基底材料表面采用切割工藝切割形成鋸齒形波紋表面，所述的復(fù)合膜由位于該基底材料的鋸齒形波紋表面并且與該表面形狀相配套、呈鋸齒形波紋的鋁膜，以及位于該鋁膜表面并且與該鋁膜形狀相配套、呈鋸齒形波紋的含金屬過渡層的復(fù)合碳膜組成；所述的含金屬過渡層的復(fù)合碳膜是采用磁控濺射在所述的鋁膜表面沉積金屬過渡層的同時(shí)開啟線性離子源并通入碳?xì)錃怏w而形成的薄膜。所述的金屬優(yōu)選為鈦、鉻或鎢。所述的基底材料優(yōu)選為鐵、銅、鋁或其合金材料。本發(fā)明一種可降低自驅(qū)動(dòng)Leidenfrost液滴臨界溫度的復(fù)合膜的制備方法包括如下步驟步驟1、基底材料表面初始化采用線切割工藝，將基底材料表面切割形成鋸齒形波紋表面，鋸齒寬0.5mm 3mm，深0. Imm 0. 5mm，然后清洗去除表面油污，得到潔凈的鋸齒形波紋表面；步驟2、磁控濺射制備鋁膜采用磁控濺射法，在基底材料的鋸齒形波紋表面沉積鋁膜，磁控濺射裝置真空室內(nèi)本底真空度小于或等于1 X 10_3Pa，濺射沉積前，用離子源對(duì)基底材料表面進(jìn)行清洗，以惰性氣體為工作氣體，調(diào)節(jié)離子源工作的真空范圍為1. 5X 7. OX 10_2Pa，陽極電壓為 100V 150V,陽極電流0. 7A 1. 2A，清洗時(shí)間5min IOmin ；然后，調(diào)節(jié)惰性工作氣體壓力為0. IPa 10Pa，單位靶面積的濺射功率為lw/cm2 6w/cm2，進(jìn)行濺射沉積鋁結(jié)構(gòu)層，濺射時(shí)間為Ih 證；步驟3、線性離子束混合磁控濺射法制備含金屬過渡層的復(fù)合碳膜首先，調(diào)節(jié)惰性工作氣體流量為50SCCm 60SCCm，磁控濺射功率為Ikw 1. 5kw, 工作電流為3A，進(jìn)行濺射沉積金屬過渡膜，濺射時(shí)間為Imin IOmin ；然后，開啟線性離子束源，通入碳?xì)錃怏w流量25sccm 35sccm，工作電流0. 2A，工作功率為^Ow 320w，同時(shí)將工件的負(fù)偏壓設(shè)為50 100V，工作氣壓設(shè)為0. 6Pa，沉積時(shí)間為IOmin 60min。上述制備方法中所述的步驟2中，所用鋁靶純度優(yōu)選大于98%。所述的步驟2制備鋁膜后，采用紫外光輻照在所述的鋁膜表面形成氧化膜，輻射時(shí)間為5 lOmin，然后采用所述的步驟3制備含金屬過渡層的復(fù)合碳膜。所述的步驟3中，所用金屬靶純度優(yōu)選大于98%。所述的步驟3中，碳?xì)湓礆怏w優(yōu)選為甲烷或乙炔。綜上所述，本發(fā)明提供的位于基底材料表面的復(fù)合膜的表面形貌特征為微米級(jí)類松子顆粒及顆粒上納米級(jí)片狀結(jié)構(gòu)，液滴位于該復(fù)合膜上時(shí)能夠在較低溫度下自動(dòng)激發(fā)為自驅(qū)動(dòng)Leidenfrost液滴，因而可用于各種精密熱控器件內(nèi)表面，特別是要求在較低溫度區(qū)間激發(fā)液滴自驅(qū)運(yùn)動(dòng)的場合，包括但不限于功能微流體、芯片分析、芯片合成實(shí)驗(yàn)室的流體運(yùn)動(dòng)溫控表面修飾。


圖1是鋸齒形波紋復(fù)合膜表面形貌，(a)和(b)分別為基底鋁結(jié)構(gòu)層和復(fù)合膜制品表面形貌，(c)和(d)分別為基底鋁結(jié)構(gòu)層和復(fù)合膜制品表面SEM微觀形貌；圖2是液滴在圖Ib的復(fù)合膜表面時(shí)在不同溫度的表面形態(tài)圖；圖3是圖2中液滴進(jìn)入膜蒸發(fā)態(tài)成為Leidenfrsot液滴后在復(fù)合膜表面的自驅(qū)運(yùn)動(dòng)。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述，需要指出的是，以下所述實(shí)施例旨在便于對(duì)本發(fā)明的理解，而對(duì)其不起任何限定作用。實(shí)施例1 本實(shí)施例中，基底材料為H59黃銅方棒，該基底材料表面采用切割工藝切割形成鋸齒形波紋表面，鋸齒寬0. 75mm，深0. 2mm，該基底材料表面是與該基底材料表面形狀相配套、呈鋸齒形波紋的鋁膜，鋁膜表面是與該鋁膜形狀相配套、呈鋸齒形波紋的鉻過渡層的復(fù)合碳膜，該復(fù)合碳膜是采用磁控濺射在該鋁膜表面沉積鉻過渡層的同時(shí)開啟線性離子源并通入碳?xì)錃怏w而形成的薄膜。該基底材料表面的復(fù)合膜的制備方法如下(1)將H59黃銅方棒固定在線切割機(jī)臺(tái)架上，中速切割形成鋸齒形波紋表面，鋸齒寬0. 75mm，深0. 2mm，基底樣片長寬高為50mmX 25mmX 2mm ；(2)對(duì)基底樣片進(jìn)行除污、除銹處理；(3)將潔凈基底樣片放置在磁控濺射裝置工件托架上，磁控濺射源為純度大于等于99. 99%的鋁靶；(4)用機(jī)械泵抽真空到8 左右，然后使用渦輪分子泵抽真空，使得真空室內(nèi)的真空度達(dá)到5 X KT4Pa;(5)用離子源對(duì)基底樣片表面進(jìn)行清洗，采用氬氣為工作氣體，調(diào)節(jié)離子源工作的真空范圍5 X 10 ,陽極電壓為140V,陽極電流0. 8A，清洗時(shí)間5min ；(6)對(duì)基底樣片鋸齒形波紋化表面進(jìn)行濺射沉積鋁結(jié)構(gòu)層，采用氬氣為工作氣體， 控制工作氣壓0. 5Pa，單位靶面積的濺射功率為2w/cm2，濺射時(shí)間池；濺射沉積鋁膜后，該基底樣片表面形貌如圖1(a)所示，表明在基底材料的鋸齒形波紋表面濺射沉積鋁膜后，鋁膜形狀與該基底材料的鋸齒形波紋表面形狀相配套，也呈鋸齒形波紋狀。圖1(c)是該沉積鋁膜后的基底樣片表面SEM微觀形貌圖，從圖中可以看出微米級(jí)類松子顆粒及顆粒上納米級(jí)片狀結(jié)構(gòu)；(7)將含有鋁結(jié)構(gòu)層的鋸齒形波紋化基底樣片置于混合線性離子束混合磁控濺射裝置的真空室中，磁控濺射源為純度大于等于99. 99%的鉻靶，線形離子源為純度大于等于 99. 99%乙炔，抽真空至小于等于2. 66 X KT3Pa ；(8)開啟磁控濺射源，在鋁結(jié)構(gòu)層上濺射沉積鉻過度層，采用氬氣為工作氣體，氣體流量為53SCCm，濺射功率為1. 2kw,工作電流3A，工件的負(fù)偏壓設(shè)為50V，工作氣壓0. 6Pa, 濺射時(shí)間IOmin ；(9)關(guān)閉惰性氣體，向線性離子束源裝置的氣體供應(yīng)通道內(nèi)通入27sCCm乙炔，線性離子束源工作電流0. 2A，工作功率為280W，沉積時(shí)間60min ；(10)待真空室溫度降至室溫，打開真空室，取出基底樣片。該基底樣片的表面形貌如圖1 (b)所示，表明在圖1 (a)所示的表面沉積鋁膜的基底樣片上沉積含金屬過渡層的復(fù)合碳膜后，復(fù)合碳膜形狀與該鋁膜的鋸齒形波紋表面形狀相配套，也呈鋸齒形波紋狀。圖1(d)是該沉積復(fù)合碳膜后的基底樣片表面SEM微觀形貌圖， 從圖中可以看出微米級(jí)類松子顆粒及顆粒上納米級(jí)片狀結(jié)構(gòu)。圖2是利用接觸角儀觀察液滴在圖1(b)所示的表面具有復(fù)合膜的基底樣片上時(shí)，在不同溫度的液滴表面形態(tài)圖。從圖2中可以看到隨著表面溫度的升高，波紋化復(fù)合膜表面上液滴歷經(jīng)單相蒸發(fā)態(tài)、核蒸發(fā)態(tài)、沸騰過度態(tài)和膜蒸發(fā)態(tài)；其中液滴處于核蒸發(fā)態(tài)時(shí)固液界面明顯縮??；在當(dāng)表面溫度達(dá)到133. 5°C時(shí)，液滴進(jìn)入膜蒸發(fā)態(tài)，即成為Leidenfrsot 液滴。此溫度激發(fā)下成為Leidenfrsot液滴的自驅(qū)運(yùn)動(dòng)形態(tài)如圖3所示。因此，與現(xiàn)有的通常高于200°C的激發(fā)溫度相比，此種波紋化復(fù)合膜明顯降低了熱表面液滴自驅(qū)運(yùn)動(dòng)的Leidenfrsot臨界激發(fā)溫度。實(shí)施例2 本實(shí)施例中，基底材料為201不銹鋼方棒，該基底材料表面采用切割工藝切割形成鋸齒形波紋表面，鋸齒寬0. 75mm，深0. 2mm，該基底材料表面是與該基底材料表面形狀相配套、呈鋸齒形波紋的鋁膜，鋁膜表面是與該鋁膜形狀相配套、呈鋸齒形波紋的含鎢過渡層的復(fù)合碳膜，該復(fù)合碳膜是采用磁控濺射在該鋁膜表面沉積鎢過渡層的同時(shí)開啟線性離子源并通入碳?xì)錃怏w而形成的薄膜。該基底材料表面的復(fù)合膜的制備方法如下本實(shí)施例中，基底材料為201不銹鋼方棒，該基底材料表面的可降低自驅(qū)動(dòng) Leidenfrost液滴臨界溫度的復(fù)合膜的制備方法如下(1)將201不銹鋼方棒固定在線切割機(jī)臺(tái)架上，中速切割形成鋸齒形波紋表面，鋸齒寬0. 75mm，深0. 2mm，基底樣片長寬高為50mmX 25mmX 2mm ；(2)對(duì)基底樣片進(jìn)行除污、除銹處理；(3)將潔凈基底樣片放置在磁控濺射裝置工件托架上，磁控濺射源為純度大于等于99. 99%的鋁靶；(4)用機(jī)械泵抽真空到8 左右，然后使用渦輪分子泵抽真空，使得真空室內(nèi)的真空度達(dá)到5 X KT4Pa;(5)用離子源對(duì)基底樣片表面進(jìn)行清洗，采用氬氣為工作氣體，調(diào)節(jié)離子源工作的真空范圍5 X 10 ,陽極電壓為140V,陽極電流0. 8A，清洗時(shí)間5min ；(6)對(duì)基底樣片波紋化表面進(jìn)行濺射沉積鋁結(jié)構(gòu)層，采用氬氣為工作氣體，控制工作氣壓0. 5Pa，單位靶面積的濺射功率為2w/cm2，濺射時(shí)間池；濺射沉積鋁膜后，該基底樣片表面形貌如圖1(a)所示，表明在基底材料的鋸齒形波紋表面濺射沉積鋁膜后，鋁膜形狀與該基底材料的鋸齒形波紋表面形狀相配套，也呈鋸齒形波紋狀。圖1(c)是該沉積鋁膜后的基底樣片表面SEM微觀形貌圖，從圖中可以看出微米級(jí)類松子顆粒及顆粒上納米級(jí)片狀結(jié)構(gòu)。(7)將含有鋁結(jié)構(gòu)層的波紋化基底樣片置于混合線性離子束混合磁控濺射裝置的真空室中，磁控濺射源為純度大于等于99. 99 %的鎢靶，線形離子源為純度大于等于 99. 99%乙炔，抽真空至小于等于2. 66 X KT3Pa ；(8)開啟磁控濺射源，在鋁結(jié)構(gòu)層上濺射沉積鎢過度層，采用氬氣為工作氣體，氣體流量為53SCCm，濺射功率為1. 2kw,工作電流3A，工件的負(fù)偏壓設(shè)為50V，工作氣壓0. 6Pa, 濺射時(shí)間IOmin ；(9)關(guān)閉惰性氣體，向線性離子束源裝置的氣體供應(yīng)通道內(nèi)通入27sCCm乙炔，線性離子束源工作電流0. 2A，工作功率為280W，沉積時(shí)間60min ；(10)待真空室溫度降至室溫，打開真空室，取出基體樣片。
該基底樣片的表面形貌如圖1 (b)所示，表明在圖1 (a)所示的表面沉積鋁膜的基底樣片上沉積含金屬過渡層的復(fù)合碳膜后，復(fù)合碳膜形狀與該鋁膜的鋸齒形波紋表面形狀相配套，也呈鋸齒形波紋狀。圖1(d)是該沉積復(fù)合碳膜后的基底樣片表面SEM微觀形貌圖， 從圖中可以看出微米級(jí)類松子顆粒及顆粒上納米級(jí)片狀結(jié)構(gòu)。圖2是利用接觸角儀觀察液滴在圖1 (b)所示的表面具有復(fù)合膜的基底樣片上時(shí)， 在不同溫度的液滴表面形態(tài)圖。從圖2中可以看到隨著表面溫度的升高，波紋化復(fù)合膜表面上液滴歷經(jīng)單相蒸發(fā)態(tài)、核蒸發(fā)態(tài)、沸騰過度態(tài)和膜蒸發(fā)態(tài)；其中液滴處于核蒸發(fā)態(tài)時(shí)固液界面明顯縮?。辉诋?dāng)表面溫度達(dá)到133. 5°C時(shí)，液滴進(jìn)入膜蒸發(fā)態(tài)，即成為Leidenfrsot 液滴。此溫度激發(fā)下成為Leidenfrsot液滴的自驅(qū)運(yùn)動(dòng)形態(tài)如圖3所示。因此，與現(xiàn)有的通常高于200°C的激發(fā)溫度相比，此種波紋化復(fù)合膜明顯降低了熱表面液滴自驅(qū)運(yùn)動(dòng)的Leidenfrsot臨界激發(fā)溫度。以上所述的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內(nèi)所做的任何修改和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種可降低自驅(qū)動(dòng)Leidenfrost液滴臨界溫度的復(fù)合膜，該復(fù)合膜位于基底材料表面，其特征是所述的基底材料表面采用切割工藝切割形成鋸齒形波紋表面，所述的鋸齒寬 0. 5mm 3mm，深0. Imm 0. 5mm ；所述的復(fù)合膜由位于該基底材料表面并且與該基底材料表面形狀相配套、呈鋸齒形波紋的鋁膜，以及位于該鋁膜表面并且與該鋁膜形狀相配套、呈鋸齒形波紋的含金屬過渡層的復(fù)合碳膜組成；所述的含金屬過渡層的復(fù)合碳膜是采用磁控濺射在所述的鋁膜表面沉積金屬過渡膜的同時(shí)開啟線性離子源并通入碳?xì)錃怏w而形成的薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可降低自驅(qū)動(dòng)Leidenfrost液滴臨界溫度的復(fù)合膜，其特征是所述的基底材料為鐵、銅、鋁或其合金材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可降低自驅(qū)動(dòng)Leidenfrost液滴臨界溫度的復(fù)合膜，其特征是所述的金屬過渡層為鈦、鉻或鎢。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可降低自驅(qū)動(dòng)Leidenfrost液滴臨界溫度的復(fù)合膜的制備方法，其特征是包括如下步驟步驟1、基底材料表面初始化采用線切割工藝，將基底材料表面切割形成鋸齒形波紋表面，鋸齒寬0. 5mm 3mm，深 0. Imm 0. 5mm，然后清洗去除表面油污，得到潔凈的鋸齒形波紋表面；步驟2、磁控濺射制備鋁膜采用磁控濺射法，在基底材料的鋸齒形波紋表面沉積鋁膜，磁控濺射裝置真空室內(nèi)本底真空度小于或等于lX10_3Pa，濺射沉積前，用離子源對(duì)基底材料表面進(jìn)行清洗，以惰性氣體為工作氣體，調(diào)節(jié)離子源工作的真空范圍為1. 5X 10 7. OX 10_2Pa，陽極電壓為 IOOV 150V,陽極電流0. 7A 1. 2A，清洗時(shí)間5min IOmin ；然后，調(diào)節(jié)惰性工作氣體壓力為0. IPa 10Pa，單位靶面積的濺射功率為lw/cm2 6w/cm2，進(jìn)行濺射沉積鋁結(jié)構(gòu)層，濺射時(shí)間為Ih 證；步驟3、線性離子束混合磁控濺射法制備含金屬過渡層的復(fù)合碳膜首先，調(diào)節(jié)惰性工作氣體流量為50sCCm 60sCCm，磁控濺射功率為Ikw 1. 5kw,工作電流為3A，進(jìn)行濺射沉積金屬過渡層，濺射時(shí)間為Imin IOmin ；然后，開啟線性離子束源， 通入碳?xì)錃怏w流量25sccm 35sccm，工作電流0. 2A，工作功率為^Ow 320w，同時(shí)將工件的負(fù)偏壓設(shè)為50 100V，工作氣壓設(shè)為0. 6Pa，沉積時(shí)間為IOmin 60min。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的可降低自驅(qū)動(dòng)Leidenfrost液滴臨界溫度的復(fù)合膜的制備方法，其特征是所述的步驟2中，鋁靶純度大于98 %。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的可降低自驅(qū)動(dòng)Leidenfrost液滴臨界溫度的復(fù)合膜的制備方法，其特征是所述的步驟2制備鋁膜后，采用紫外光輻照在所述的鋁膜表面形成氧化膜， 輻射時(shí)間為5min lOmin，然后采用所述的步驟3制備含金屬過渡層的復(fù)合碳膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的可降低自驅(qū)動(dòng)Leidenfrost液滴臨界溫度的復(fù)合膜的制備方法，其特征是所述的步驟3中，金屬靶純度大于98 %。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的可降低自驅(qū)動(dòng)Leidenfrost液滴臨界溫度的復(fù)合膜的制備方法，其特征是所述的步驟3中，碳?xì)湓礆怏w為甲烷或乙炔。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可降低自驅(qū)動(dòng)Leidenfrost液滴臨界溫度的復(fù)合膜及其制備方法。采用線切割工藝在基底材料上切割形成鋸齒形波紋化表面，然后利用磁控濺射技術(shù)在基底波紋化表面上濺射構(gòu)建鋁結(jié)構(gòu)層，最后使用線性離子束混合磁控磁控濺射技術(shù)在鋁結(jié)構(gòu)層上制得含有金屬過渡層的復(fù)合膜，所得復(fù)合膜表面可明顯降低熱表面上液滴自驅(qū)運(yùn)動(dòng)的Leidenfrost臨界激發(fā)溫度，因而可用于各種精密熱控器件內(nèi)表面，特別是要求在較低溫度區(qū)間激發(fā)液滴自驅(qū)運(yùn)動(dòng)的場合，包括但不限于功能微流體、芯片分析、芯片合成實(shí)驗(yàn)室的流體運(yùn)動(dòng)溫控表面修飾。
文檔編號(hào)B32B9/04GK102423928SQ20111030210
公開日2012年4月25日 申請(qǐng)日期2011年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月9日
發(fā)明者烏學(xué)東, 奉若濤, 薛群基, 趙文杰 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所