- 研究背景
二十世纪末、研究人员发现液滴中加入纳米粒子可以增加液滴的强化换热，于是首先考虑含有纳米颗粒的混合液滴的蒸发过程[1][2]。1995年美国Argonne国家实验室的Choi[3]等提出将纳米级金属或非金属氧化物颗粒添加到换热工质中制备出新型换热工质“纳米流体”概念，它并不是传统意义上把固体和液滴混合在一起的混合溶液，而是一种含有颗粒直径为 1~100nm 固体颗粒悬浮液体，可以制备成均匀稳定高导热的新型换热介质。含有不同纳米粒子的溶液所具有的热导率、黏度等热物性不相同， 这一点受到研究人员的广泛关注。Wasan等[4]研究了含有纳米颗粒的悬浮液的蒸发特性，发现公认的简单液滴扩散概念并不适用于纳米流体，并且当纳米颗粒加入到基础流体中时，接触线附近的扩散动力学增强。Askounis等[5]研究了在含有纳米颗粒的固着液滴自由蒸发后形成的环状沉积物的结构，提出了一种计算沉积物高度，以及高度与底板之间斜率的数学模型。Lim等[6]实验发现纳米流体的颗粒浓度、温度会影响蒸发过程中液滴内部的颗粒运动并控制沉积图案中两条接触线的变化。虽然有大量对含有纳米颗粒的固着悬浮液液滴蒸发的实验研究，但是对于纳米颗粒在不同纳米流体质量分数和不同温度的固体表面蒸发时的具体沉 积过程仍有待揭示。
与此同时,1997年，Deegan[7]在《自然》杂志上正式描述了一个平凡常见的液滴蒸发现象，第一次提出咖啡环效应（coffee ring effect），即咖啡液滴滴在固体表面，其蒸发结束后，会在液滴边缘积聚出一个由咖啡颗粒构成的环圈印记。咖啡圈的出现说明咖啡液滴蒸发的过程不是从由外而内的缓慢收缩，而是液滴高度逐渐变平。为了保持三相线的固定，液滴内部的液体必须向三相线附近径向向外运动，随之携带的咖啡颗粒运动到液滴边缘，蒸发的过程中不断沉积，从而形成咖啡圈印记。
当液滴中包含不溶解的颗粒时，液滴蒸发完全后，液滴中的纳米颗粒会在基底表面形成一定的沉积图案。随着纳米技术的进步，很多研究员开始探索纳米颗粒的蒸发沉积模式。研究发现，含纳米颗粒的液滴在扩散、蒸发和流体运动方面表现出较大的变化。纳米流体概念的提出，促成了许多新材料的发展及其在多个层面上的推进。当前，纳米流体的内涵已超越了传统的概念。不难理解，任何新技术的诞生都有其明确的应用背景。其相关的应用表现在很多方面：在喷墨打印、DNA芯片制造等领域，应尽量抑制“咖啡环效应”，从而使其镀层均匀；在喷洒农药时，可增加覆盖面同时延长蒸发时间，可使农药在叶片上均匀沉积，提高其利用率；也促成了对生物化学分析系统和化学“芯片实验室”的研究，促进了各类先进散热方法从原理、材料到结构上的突破。随着人们对纳米流体传热和流动机制的认识深化，以及新工质的发现，新结构和新工艺的开发，将促成更多先进技术的发展。与此同时，纳米流体作为一种跨学科的研究对象，其内涵将继续的得到丰富。这些在技术实践环节中提出的大量课题和挑战，又会促成相关基础科学的进步。
二．纳米流体的液滴蒸发理论及研究进展
2.1理论基础
纳米流体是近十几年来提出的一种新的高性能换热工质，把纳米级的金属或非金属粉末均匀地分散到水、醇、油等各类传统介质中，制备成均匀稳定的悬浮
液，这种固液混合流体具有特殊的传热特性，而且由于纳米颗粒的小尺度和强表面效应使其在液体中能够稳定均匀地分散，从而避免了沉降等不良后果目前针对纳米流体影响换热性能和临界热流密度(CHF)的机理解释有很多，主要从纳米流体的物理性质和沸腾表面沉积这两大方面来解释。
在液滴蒸发过程中，有两种公认的剖平面演化理论，分别是等接触角流场理论和等接触面积流场理论。在等接触角蒸发情况下，半径减小，而液滴高度不变；在等接触面积情况下，液滴固定在表面，液面高度随着液体蒸发而下降。欲控制液滴的沉积模式，可从控制液滴内部流型开始。毛细管流（连续性驱动）和马兰格尼流（表面张力驱动）是两种重要流动状态。
毛细管流动是一种假设蒸发发生在液滴的底部边缘然后流体向外辐射流动以取代蒸发的流体理论。在这种状态下，液滴蒸发通常符合等接触面积流场理论。颗粒在湿润接触线上形成了环状沉积。逆转或改善咖啡环效应的尝试主要体现在控制毛细管流动方面。
与之相反，马兰格尼流动导致流体向内循环，表面张力随温度的升高而降低。马兰格尼流的原因是液滴底部比顶部冷而产生温度梯度，进而产生了表面张力梯度，液滴底部较强的表面张力将流体由顶端向下拉，形成了沿界面的流体圆周运动。马兰格尼流动的存在，会使沉积多发生在液滴中心而不是边缘，从而无法形成沉积环[10]。
