德克萨斯农工大学的研究人员发现了一个解决几十年来关于相变传热过程中某些超薄涂层失效的谜团。
在Dion Antao博士的带领下，来自J. Mike Walker '66机械工程系的一个团队不仅帮助阐明了硅烷自组装单分子层(SAMs)在相变传热过程中所面临的难以解决的挑战，而且还开发了增强版本的涂层，提供了指数级提高的性能。
这项研究有可能显著提高发电效率，从而降低化石燃料技术的碳排放，降低可再生能源生产方法的能源生产成本。
改进的硅烷sam可以影响制冷或空调技术和设备的热交换器组件的性能，助理教授和J. Mike Walker '66教员研究员Antao说。好处还可以扩展到两相热管理设备，用于冷却电子产品或基于电力的发电或转换技术中的电气设备。
增强滴式冷凝的概念出现于20世纪30年代，并在20世纪50年代继续改进和进一步探索，当时研究人员专注于超薄硅烷SAM涂层。然而，已知硅烷sam在水蒸气凝结过程中会在几分钟内降解——几十年来，研究人员一直在努力确定和改进这一失败。
“据我们所知，我们的工作是薄涂层辅助传热增强领域的第一个实验验证涂层失效机制，并提出了相应的方法来减缓涂层退化，”前德克萨斯A&M机械工程博士生、研究团队成员王瑞松博士说。
王说，该团队首先确定了涂层材料与其底层材料或基材之间的结合机制。在找到了为什么这些硅烷sam在水蒸气冷凝传热过程中失败的解释后，研究人员随后应用这一知识，使用氧等离子体富集表面，将硅涂层的寿命延长到至少500小时。随着这一成功，Antao和他的团队将这些涂层概念应用于铜基材。
安涛说:“铜作为衬底比硅更广泛地用作热交换器材料，但在铜或其他金属衬底上创建坚固的硅烷SAM涂层也更具挑战性。”“我们在铜上的硅烷SAM涂层使用了我们提出的涂层集成和合成程序，与使用更常见的程序在铜或其他金属上集成的涂层在30分钟内失效相比，它能够在350小时内不失效。”
根据该团队在整个研究过程中的传热测量，他们的测试结果表明，铜上的涂层极大地改善了冷凝传热特性。
这项研究发表在美国化学学会的应用材料与界面日刊和国际热与传质杂志他们记录了他们的工作，首先确定了涂层失败的原因，以及他们如何成功地开发出更坚固的硅烷SAM涂层。
“我们的涂层方法和程序是基于我们验证的硅烷SAM涂层‘冷凝介导降解’假设开发的，这是关键的区别，”Antao说。此外，我们的冷凝测试系统控制得非常好。在水蒸气凝结过程中，我们在测试系统中没有杂质，如空气等不凝性气体。这让我们对我们提出的机制和验证的假设有信心。”
随着研究的继续，安涛说他的团队将探索不同类型的涂层及其对环境和人类健康的影响。他们特别在寻找氟化合物的替代品，氟化合物已被认为对健康有害。
“我们一直在探索替代无氟低表面能涂层作为强大的滴式促进剂，这是我们当前和未来研究的一个活跃领域，”安涛说。“坚固的低表面能涂层对增强冷凝传热的潜在影响是巨大的，其应用范围从发电到水净化/回收。我们希望利用我们在制造和测试坚固的非氟化和氟化低表面能涂层方面的知识，对液-气相变技术产生这样的影响。”
安涛在2022年微流和界面现象会议上获得了杰出早期职业奖。该荣誉是对这项研究以及安涛和他的团队正在进行的其他工作的认可。