靜電霧化是液體荷電后庫侖斥力削弱液體表面張力而導致液體破碎成細小液滴的過(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，因其具有顆粒細小、單分散性好、沉積效率高、可實(shí)現定向沉積及工藝設備簡(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電性、導熱性以及機械強度，其納米流體在靜電霧化過(guò)程中相關(guān)特性的研究對薄膜材料的高效制備起著(zhù)至關(guān)重要的作用。在沉積特性方面，對質(zhì)量分數為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，并對霧化過(guò)程中的流場(chǎng)進(jìn)行了測量；對影響納米流體霧化錐角的因素進(jìn)行了研究，結果表明極間距、毛細管直徑以及基板種類(lèi)均對霧化錐角有影響。借助Comsol軟件對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，并與試驗結果進(jìn)行了對比分析。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的研究，但針對納米流體靜電霧化模式轉變的研究相對較少。不同工況下，納米流體的穩定霧化區間存在明顯差異，其霧化模式的確定有利于納米流體穩定霧化調控方法的制定，從而大大提高工業(yè)應用過(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)特性變得極為復雜。文中借助高速數碼攝像技術(shù)，針對不同組份的石墨~乙醇納米流體及銀~乙醇納米流體，對其電場(chǎng)作用下靜電霧化的顯微演變過(guò)程進(jìn)行可視化研究，分析不同物性參數對納米流體靜電霧化模式轉變的影響。

納米流體的表面張力

表面張力是決定τH的關(guān)鍵參數，采用重力法對不同質(zhì)量分數納米流體的表面張力進(jìn)行了測量。結果如圖1所示，隨著(zhù)納米顆粒質(zhì)量分數的增大，相對表面張力逐漸減小。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。當納米顆粒質(zhì)量分數達到0.1%時(shí)，納米流體的表面張力減小了17%——25%.

圖1質(zhì)量分數與相對表面張力的關(guān)系

質(zhì)量分數對納米流體霧化模式的影響

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

質(zhì)量分數的變化影響著(zhù)納米流體的表面張力和電導率，τc/τH是兩者對霧化模式影響的綜合判斷標準。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在同一數量級范圍內，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波傳播速度相似，受兩者的共同作用，在較低場(chǎng)強下呈現出紡錘模式。

圖2不同質(zhì)量分數納米流體的霧化模式區間圖

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變，使得模式轉變所需臨界電場(chǎng)強度逐漸降低。在質(zhì)量分數相同時(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)強度更高（圖2區間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,這表明靜電力與機械力對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)強度更高。同時(shí)，在流量恒定時(shí)，流體流動(dòng)引發(fā)的毛細波相同，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率低，在相同場(chǎng)強作用下，表面電荷的遷移速度小，毛細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區間②→③）。當質(zhì)量分數增加到0.1%時(shí)，納米流體的電導率上升了40%——60%,而表面張力僅降低了17%——25%,此時(shí)電導率對流體的霧化模式起主導作用。而電導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，流體受庫侖斥力影響減弱，致使流體進(jìn)入錐射流模式所需場(chǎng)強隨納米流體質(zhì)量分數的增大而增大。

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區間③→④），此時(shí)流體自身電荷遷移能力的強弱決定了進(jìn)入多股射流模式的條件。銀~乙醇納米流體的電導率較高，電荷更易集聚于液錐尖端，率先達到錐射流模式進(jìn)入多股射流模式的臨界電場(chǎng)強度，所以銀~乙醇納米流體率先進(jìn)入多股射流模式。

流量對石墨~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。尋找在較大流量下依然能保持穩定霧化效果的區間，對工業(yè)應用具有十分重要的意義。質(zhì)量分數為0.1%的納米流體在不同流量下霧化模式隨電壓的變化區間如圖3所示，區間①為滴狀模式，區間②為紡錘模式，區間③為錐射流模式，區間④為多股射流模式。相同電場(chǎng)強度下隨著(zhù)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)強度逐漸升高（圖3區間①→②）。由圖3區間②可知，隨著(zhù)流量的增大紡錘模式所占區間逐漸增大。低流速（<2μL·s-1）狀態(tài)下，電場(chǎng)強度增大，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(zhù)流量的增大，錐射流模式所在區間迅速減小直至消失（圖3區間③）。電場(chǎng)對流體荷電的能力有限，流量的增加使得流體不穩定性增大，大部分電荷無(wú)法聚集至液錐表面，從而導致錐射流模式隨著(zhù)流量的增大，其霧化區間迅速消失。

圖3質(zhì)量分數為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，流體穩定性降低，流體表面機械振動(dòng)增強，電荷集聚于液體尖端，隨著(zhù)電場(chǎng)強度的增大，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區間②→④）。

結論

1）隨著(zhù)質(zhì)量分數增加到0.1%的過(guò)程中，納米流體表面張力下降了17%——25%,電導率卻升高了40%——60%.兩者的變化導致納米流體的τc/τH隨質(zhì)量分數的升高呈現上升趨勢。

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)強度卻高于石墨~乙醇納米流體，且隨著(zhù)質(zhì)量分數的升高，納米流體的錐射流模式區間呈現縮趨勢。由錐射流模式向多股射流模式轉變的過(guò)程中，銀~乙醇納米流體率先進(jìn)入且隨著(zhù)質(zhì)量分數的升高，臨界電場(chǎng)強度逐漸降低。

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定性不理想，且進(jìn)入各霧化模式的臨界電場(chǎng)強度均有所升高。