靜電霧化是液體荷電后庫(kù)侖斥力削弱液體表面張力而導(dǎo)致液體破碎成細(xì)小液滴的過(guò)程。在薄膜制備的眾多方法中，由靜電霧化技術(shù)發(fā)展而來(lái)的靜電霧化沉積法，因其具有顆粒細(xì)小、單分散性好、沉積效率高、可實(shí)現(xiàn)定向沉積及工藝設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛關(guān)注。微/納米薄膜及顆粒制備過(guò)程中，納米顆粒的加入可有效改善薄膜材料的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性以及機(jī)械強(qiáng)度，其納米流體在靜電霧化過(guò)程中相關(guān)特性的研究對(duì)薄膜材料的高效制備起著至關(guān)重要的作用。在沉積特性方面，對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的石墨~Nafion/乙醇納米流體在錐射流模式下液滴的沉積粒徑及分布進(jìn)行了研究；對(duì)石墨烯~Nafion納米流體在錐射流模式下的沉積均勻性問(wèn)題進(jìn)行了研究。納米流體的霧化特性方面，利用PDA技術(shù)對(duì)不同TiO2-乙醇納米流體的霧化液滴粒徑進(jìn)行研究，得到了不同霧化模式下液滴粒徑的分布情況，并對(duì)霧化過(guò)程中的流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量；對(duì)影響納米流體霧化錐角的因素進(jìn)行了研究，結(jié)果表明極間距、毛細(xì)管直徑以及基板種類(lèi)均對(duì)霧化錐角有影響。借助Comsol軟件對(duì)多種納米流體在錐射流模式下液滴的下落軌跡進(jìn)行了仿真模擬，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。綜上所述，納米流體的霧化特性、沉積特性以及仿真模擬均有較為系統(tǒng)的研究，但針對(duì)納米流體靜電霧化模式轉(zhuǎn)變的研究相對(duì)較少。不同工況下，納米流體的穩(wěn)定霧化區(qū)間存在明顯差異，其霧化模式的確定有利于納米流體穩(wěn)定霧化調(diào)控方法的制定，從而大大提高工業(yè)應(yīng)用過(guò)程中薄膜/顆粒制備的生產(chǎn)效率。

納米流體在表面張力、電導(dǎo)率等方面與普通流體差異較大。納米流體物性的改變影響了荷電弛豫時(shí)間以及流體動(dòng)力學(xué)弛豫時(shí)間，弛豫時(shí)間的變化直接影響到流體的霧化模式。靜電霧化是復(fù)雜的荷電多相流動(dòng)，荷電液滴在多場(chǎng)耦合作用下存在變形、破碎、分離以及聚并等重要現(xiàn)象，納米顆粒的加入使耦合場(chǎng)作用下的電流體動(dòng)力學(xué)特性變得極為復(fù)雜。文中借助高速數(shù)碼攝像技術(shù)，針對(duì)不同組份的石墨~乙醇納米流體及銀~乙醇納米流體，對(duì)其電場(chǎng)作用下靜電霧化的顯微演變過(guò)程進(jìn)行可視化研究，分析不同物性參數(shù)對(duì)納米流體靜電霧化模式轉(zhuǎn)變的影響。

納米流體的表面張力

表面張力是決定τH的關(guān)鍵參數(shù)，采用重力法對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米流體的表面張力進(jìn)行了測(cè)量。結(jié)果如圖1所示，隨著納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，相對(duì)表面張力逐漸減小。納米流體中的部分石墨顆粒會(huì)漂浮于液滴表面，疏水性較好的納米顆粒，使原本光滑平整的氣液兩相界面變得粗糙，減小了流體的表面張力。當(dāng)納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.1%時(shí)，納米流體的表面張力減小了17%——25%.

圖1質(zhì)量分?jǐn)?shù)與相對(duì)表面張力的關(guān)系

質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)納米流體霧化模式的影響

流量為0.5μL·s-1時(shí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)納米流體霧化模式的影響如圖2所示。圖中區(qū)間①為滴狀模式，區(qū)間②為紡錘模式，區(qū)間③為錐射流模式，區(qū)間④為多股射流模式。

質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化影響著納米流體的表面張力和電導(dǎo)率，τc/τH是兩者對(duì)霧化模式影響的綜合判斷標(biāo)準(zhǔn)。乙醇的流體動(dòng)力學(xué)弛豫時(shí)間τH=11.3μs,荷電弛豫時(shí)間τc=4.3μs,τc/τH=0.36在同一數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)，這表明無(wú)水乙醇在靜電霧化過(guò)程中表面電荷遷移速度與毛細(xì)波傳播速度相似，受兩者的共同作用，在較低場(chǎng)強(qiáng)下呈現(xiàn)出紡錘模式。

圖2不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米流體的霧化模式區(qū)間圖

加入納米顆粒后τc/τH的變化如表1所示。納米顆粒的加入使得τc/τH逐漸升高并更接近于1,這表明納米顆粒的加入讓流體表面毛細(xì)波受到表面電荷遷移的阻尼逐漸升高，加速了流體由滴狀模式向紡錘模式的轉(zhuǎn)變，使得模式轉(zhuǎn)變所需臨界電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸降低。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí)，石墨~乙醇納米流體的τc/τH始終小于銀~乙醇納米流體的τc/τH,因此，由滴狀模式進(jìn)入紡錘模式時(shí)石墨~乙醇納米流體所需電場(chǎng)強(qiáng)度更高（圖2區(qū)間①→②）。

表1納米流體的τc/τH值

相比較而言，銀~乙醇納米流體的τc/τH更接近于1,這表明靜電力與機(jī)械力對(duì)其霧化模式的影響不相上下，因此打破兩者平衡所需電場(chǎng)強(qiáng)度更高。同時(shí)，在流量恒定時(shí)，流體流動(dòng)引發(fā)的毛細(xì)波相同，此時(shí)流體表面電荷遷移帶來(lái)阻尼的大小決定了流體的霧化模式。相較于銀~乙醇納米流體，石墨~乙醇納米流體的電導(dǎo)率低，在相同場(chǎng)強(qiáng)作用下，表面電荷的遷移速度小，毛細(xì)波受到電荷遷移的阻尼增大，因此，石墨~乙醇納米流體率先進(jìn)入了錐射流模式（圖2區(qū)間②→③）。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.1%時(shí)，納米流體的電導(dǎo)率上升了40%——60%,而表面張力僅降低了17%——25%,此時(shí)電導(dǎo)率對(duì)流體的霧化模式起主導(dǎo)作用。而電導(dǎo)率的升高使得表面電荷的遷移速度增大，電荷迅速聚集于液體尖端，流體受庫(kù)侖斥力影響減弱，致使流體進(jìn)入錐射流模式所需場(chǎng)強(qiáng)隨納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大。

進(jìn)入錐射流模式后，液錐表面分布大量電荷，在電場(chǎng)作用下，逐漸向液錐尖端集聚。當(dāng)錐射流無(wú)法及時(shí)將電荷釋放時(shí)，流體就進(jìn)入了多股射流模式（圖2區(qū)間③→④），此時(shí)流體自身電荷遷移能力的強(qiáng)弱決定了進(jìn)入多股射流模式的條件。銀~乙醇納米流體的電導(dǎo)率較高，電荷更易集聚于液錐尖端，率先達(dá)到錐射流模式進(jìn)入多股射流模式的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度，所以銀~乙醇納米流體率先進(jìn)入多股射流模式。

流量對(duì)石墨~乙醇納米流體霧化模式的影響

流量是影響納米流體霧化特性的另一重要參數(shù)。尋找在較大流量下依然能保持穩(wěn)定霧化效果的區(qū)間，對(duì)工業(yè)應(yīng)用具有十分重要的意義。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的納米流體在不同流量下霧化模式隨電壓的變化區(qū)間如圖3所示，區(qū)間①為滴狀模式，區(qū)間②為紡錘模式，區(qū)間③為錐射流模式，區(qū)間④為多股射流模式。相同電場(chǎng)強(qiáng)度下隨著流量的增加，單位體積流體荷電量也隨之減小。因此，流體從滴狀模式進(jìn)入紡錘模式所需電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸升高（圖3區(qū)間①→②）。由圖3區(qū)間②可知，隨著流量的增大紡錘模式所占區(qū)間逐漸增大。低流速（<2μL·s-1）狀態(tài)下，電場(chǎng)強(qiáng)度增大，流體表面集聚大量電荷，致使液體表面張力降低，霧化模式也就從紡錘模式逐步向錐射流模式過(guò)渡（圖3區(qū)間②→③）。納米流體的錐射流模式僅僅發(fā)生在流量低于2μL·s-1時(shí)，并且隨著流量的增大，錐射流模式所在區(qū)間迅速減小直至消失（圖3區(qū)間③）。電場(chǎng)對(duì)流體荷電的能力有限，流量的增加使得流體不穩(wěn)定性增大，大部分電荷無(wú)法聚集至液錐表面，從而導(dǎo)致錐射流模式隨著流量的增大，其霧化區(qū)間迅速消失。

圖3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的納米流體在不同流量下

高流速情況下，多股射流的形成原因與低流速時(shí)并不相同。高流速情況下，流體穩(wěn)定性降低，流體表面機(jī)械振動(dòng)增強(qiáng)，電荷集聚于液體尖端，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增大，集聚于液體尖端的電荷迅速增多，使集聚電荷的尖端呈現(xiàn)出射流模式，納米流體的霧化模式因此直接過(guò)渡到多股射流模式（圖3區(qū)間②→④）。

結(jié)論

1）隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.1%的過(guò)程中，納米流體表面張力下降了17%——25%,電導(dǎo)率卻升高了40%——60%.兩者的變化導(dǎo)致納米流體的τc/τH隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

2）低流速工況下，銀~乙醇納米流體率先進(jìn)入紡錘模式，由紡錘模式向錐射流模式過(guò)渡時(shí)臨界電場(chǎng)強(qiáng)度卻高于石墨~乙醇納米流體，且隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，納米流體的錐射流模式區(qū)間呈現(xiàn)縮趨勢(shì)。由錐射流模式向多股射流模式轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，銀~乙醇納米流體率先進(jìn)入且隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，臨界電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸降低。

3）高流速工況下，錐射流模式消失，靜電霧化模式由紡錘模式直接進(jìn)入多股射流模式。流量的增大使得霧化穩(wěn)定性不理想，且進(jìn)入各霧化模式的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度均有所升高。