四棱锥复合梯度表面液滴的定向移动

目的 探究出能使液滴移动距离达到最大的复合表面制备手段,以及液滴在其表面的移动机理及影响因素。方法 采用电火花加工技术在H62黄铜表面制备四棱锥结构构建结构梯度,并通过化学刻蚀在四棱锥表面制备润湿梯度,从而形成复合梯度结构。分别使用扫描电子显微镜和高速摄像机观察复合表面的微观结构与试件表面液滴的移动过程。结果 复合结构表面不仅具有不对称几何形状引起的拉普拉斯压力,其上的液滴还会受到不平衡表面张力的作用。润湿梯度提供的不平衡表面张力与结构梯度形成的拉普拉斯压力共同组成驱动合力,令液滴在相较单一梯度表面表现出更强的移动性能。对比分析侧面夹角等因素对液滴定向移动的影响规律后得出,经化学蚀刻后的复合表面,液滴移动距离提升明显,并且移动距离增加量与夹角β成正比。在结构梯度与润湿梯度的共同作用下,液滴在β=5°的试件表面上定向移动距离达到最大,最大移动距离Lmax=6.96 mm。结论 相较于单一梯度表面,复合型液滴定向移动表面可以获得最长的移动距离,表现出良好的应用前景。制备方法上,电火花线切割与化学刻蚀操作简单,成本低廉,有助于推动制备大批量液滴定向移动复合表面的相关研究。     

仿生亲水微轨道-超疏水复合表面液滴可控定向引导研究

目的 实现液滴在超疏水表面定向可控滑动.方法 通过一种简单而有效的方法制备复合仿水稻叶亲水微轨道的超疏水表面.首先使用NaOH腐蚀铝合金表面形成微纳结构,然后浸泡硬脂酸溶液使得粗糙表面自生长硬脂酸超疏水层,最后使用纳秒激光系统去除局部超疏水层,形成用于引导液滴的仿水稻叶微轨道.利用超疏水表面的超强憎水特性及亲水微轨道的亲水性,得到水滴运动各向异性的微结构化表面.通过优化微轨道参数,改变液滴各向异性润湿及滑动特性.结果 随着相邻亲水微轨道间隔的减小,平行微轨道方向接触角也明显减小,液滴沿轨道方向的滑动阻力明显增加.当相邻微轨道间距为500μm时,达到平行亲水微轨道方向和垂直亲水微轨道方向滑动角的差值超过50°,为液滴可控定向引导最佳间距.进一步提出了具有变密度亲水微轨道和曲线排列亲水微轨道的超疏水表面,其具有在特定单方向液滴可控引导的特性,并引导水滴沿微轨道聚集到亲水末端点.通过机理分析得出,液滴在复合表面的各向异性润湿和定向滑动,是由于超疏水表面和亲水微轨道之间的表面能性质差异,以及毛细作用引起的预润湿效应等.结论 本研究制备的复合亲水微轨道超疏水表面可实现液滴定向引导,在集水、水滴混合及污渍去除等领域具有应用潜力.     

松针枝状银上对巯基苯甲酸的表面增强红外吸收光谱研究

通过置换反应在金属铜表面制备了表面没有任何保护剂且具有红外增强作用的松针枝状银,并应用扫描电子显微镜、X射线衍射和红外光谱对其形貌和性质进行表征。结果表明:虽然松针状银的松枝和松针长度都在微米级,但松针的直径却是纳米级的;首次发现具有这种特殊结构的银对吸附于其表面的有机分子的红外吸收光谱有较大的增强作用,使得表面增强红外光谱可以用于痕量分析、检测。     

金属表面疏水性研究进展

表面疏水性是近年来科学研究的热点。在生活中观察到荷叶表面上的水滴呈现圆球状,并能在荷叶上滚动而带走灰尘。研究发现荷叶表面具有优越的疏水性和自清洁特性,主要是由其表面微观的粗糙结构和低表面能物质共同引起的。概述了荷叶表面疏水性产生的原因,指出由于荷叶表面存在大量的微米级乳突,在这些微米级乳突上还有一些纳米级结构,这种纳米级结构正是引起荷叶表面超疏水的根本原因。归纳了疏水性表面的重要理论,其中,Young方程针对平整、光滑表面,将液滴在光滑表面上的张力和接触角联系起来;Wenzel模型是在Young方程的基础上引入了粗糙度因子,Wenzel模型中液滴形成的是一种非复合式的润湿状态,液滴和固体表面完全接触;Cassie方程是Wenzel模型的延伸,液滴和固体之间不再是单纯的非复合式接触,而是混有一定空气的复合式接触。在此基础上,综述了近年来表面疏水性的制备方法,包括化学法、特种加工法和微切削法等,最后展望了疏水性表面目前存在的问题。     

仿生表面结构设计对液滴冷凝及收集行为的影响

目的 提高仿生表面液滴冷凝及收集效率。方法 借鉴典型生物微纳结构及表面特性,采用分子动力学方法,建立水汽冷凝演化模型,分析纳米阵列形貌、亲疏水比及楔形顶角对液滴冷凝及收集行为的影响。结果 液滴在方形阵列结构中易钉扎,不利于去除;在矩形阵列结构中具有较好的流动性,且相对方形阵列表面凝结量提升了30.8%。随着亲疏水比θ的增加,沉积在阵列间隙的水分子数增多,钉扎效应加剧,更易形成膜状冷凝;相反地,θ越小,液滴倾向形成滴状冷凝并呈现Cassie态。调整楔形阵列的顶角α可以有效实现液滴的定向运动。当α为3°或6°时,楔形结构能够产生足够的Laplace压力差,驱使液滴定向运动;当α为9°或12°时,能够引导液滴在楔形结构尾端聚集,并融合成更大尺寸的液滴,凝结量相对α为0°分别提升了210.7%和193.0%,收集效率显著提高。相比于单一的仿生表面,结合沙漠甲虫和仙人掌的耦合集水策略设计出的双重仿生结构在凝结量及最大液滴尺寸上均有明显提升,有效提高了液滴的冷凝及收集效率。结论 通过调节纳米阵列形貌和楔形顶角,并合理设置亲疏水比,可有效提高液滴冷凝及收集效率。研究结果为强化冷凝功能的仿生表面设计提供了一定的理论指导。     

液滴在仿"鸡皮疙瘩"表面的摩擦力动态调控

目的 利用机械拉伸和松弛在仿"鸡皮疙瘩"表面实现不同粗糙度的动态调控,并且利用毛细管投影传感技术(MPCP)定量表征液滴在仿"鸡皮疙瘩"表面的摩擦力,揭示液滴在固体表面的详细运动特征.方法 模仿人体鸡皮疙瘩现象,制备了混有聚苯乙烯(PS)小球的聚二甲基硅氧烷(PDMS)仿生表面,利用机械拉伸和松弛,动态调控表面微结构,实现了对表面微观结构不同粗糙度的可逆调控.同时,利用毛细管投影传感技术,定量表征了液滴在平面和条纹结构表面的摩擦力,详细讨论了两种表面在不同拉伸状态下的拉伸量与拉伸方向、液滴体积和移动速度对液固界面摩擦力的影响规律.结果 随着样品延伸率的增大,PDMS表面突出的PS小球数量更多、高度更大,使表面粗糙度增大,从而减小了摩擦力.但在拉伸方向(DS)和垂直方向(DV)的摩擦力大小不同,表现出各向异性.随着液滴尺寸增大,DS和DV两个方向的摩擦力也增大.在测试范围内,液滴的移动速度对液固界面摩擦力的影响可以忽略不计.结论 利用PS小球/PDMS混合物制备的模仿人体"鸡皮疙瘩"现象的仿生表面,由于模量差异,在外力拉伸下,PS小球突出表面,导致表面粗糙度增大,模仿了人体的"鸡皮疙瘩"应激反应.移除拉力,"鸡皮疙瘩"消失,实现了表面粗糙度的可逆调控.用毛细管投影传感技术定量表征固体表面的摩擦力,揭示了滚动角测试所无法揭示的液固界面作用规律.     

飞秒激光制备梯度润湿性单晶硅表面∗

针对化学气相沉积、自组装技术等表面制备方法存在化学污染、表面结合强度低等问题,运用飞秒激光在单晶硅表面加工正方形微凹坑阵列制备梯度润湿性表面,使用白光干涉仪、扫描电子显微镜、能谱仪和接触角测量仪分别测量单晶硅表面粗糙度、微观形貌、化学成分及接触角。 通过改变激光能量密度制备不同梯度润湿性表面,研究不同激光能量密度下液滴在梯度润湿性表面上的铺展规律。 结果表明:随激光能量密度增大,表面粗糙度参数算术平均高度、均方根斜率和界面扩展面积比整体呈增大趋势,表面接触角整体呈减小趋势。 由于激光能量密度增大导致的单晶硅表面平行微凹槽、重凝层及不规则微纳结构使均方根斜率、界面扩展面积比及表面接触角出现波动。 液滴在梯度润湿性表面定向铺展分为加速与减速两个阶段,减速阶段速度伴随明显波动现象,小体积液滴的铺展速度更快。 实现了飞秒激光高精度、非接触、过程可控的梯度润湿性表面制备,结果可为制备单晶硅微流控器件提供理论参考。     

基于飞秒激光和自组装技术提高树脂涂层疏水性的工艺

目的 针对超疏水涂料功能持久性差的问题,提出一种将飞秒激光加工技术与微球近场效应原理相结合在氟化有机硅树脂表面制备微纳米仿生结构的解决方案。方法 模仿蝴蝶翅膀鳞片微结构特征,以平滑的氟化有机硅树脂表面为基体,采用纳米自组装技术在其表面生长一层二氧化硅微球薄膜,然后设置飞秒激光器的参数,利用激光脉冲能量加工单层二氧化硅微球薄膜,二氧化硅微球颗粒对激光能量有进一步的聚焦加强作用,可以加工微纳米尺寸的结构。重点研究激光功率和扫描速度等参量对氟硅树脂图案形貌及疏水性的影响,并对比分析超疏水涂料和仿生微纳米表面的疏水功能持久性。结果 激光扫描速度和功率参量对仿生表面疏水性能的影响较大,在激光功率为9 mW、扫描速度为10 mm/s、加工间距为10μm时可以获得最佳疏水性能,其接触角达到150°以上,通过常用的摩擦磨损测试实验,对比分析实验结果发现,氟硅树脂层经历200～1000次摩擦后,其接触角（CA）的下降幅度低于传统涂料组,说明具有仿生纳米坑结构的表面的耐磨性更强。结论 利用飞秒激光加工的纳米微孔阵列结构可以明显提高氟硅树脂的疏水特性,并具有优异的持久性。     

铝合金表面微/纳米结构构筑研究进展

铝合金以其优异的性能而被广泛应用于工业生产的各个领域,通过一系列方法可以在铝合金表面构筑多种类型的微纳米结构。这些微纳米结构可以提高铝合金的摩擦学性能、耐蚀性能、界面结合力、抗结冰性以及装饰性能,对将铝合金应用到更广阔和更苛刻的环境中具有重要意义。介绍了铝合金表面微/纳结构的主要构筑方法。化学刻蚀法制备出了凸台和凹坑的迷宫形貌;阳极氧化法构筑出了高度有序的孔洞结构;微弧氧化法制备出了表面布满微孔的氧化膜;水热法可以构筑形状多样的纳米花朵形貌;电解加工对阴极材料的表面结构进行复刻,可以采用不同比例的阴阳极材料进行大面积的制备。阐述了这些微纳米结构的生长过程,并分析了实验条件(如温度、处理时间、电参数、溶液成分及浓度等因素)对铝合金表面微纳米二元结构生长的影响规律,重点总结分析了其研究现状和影响微纳米结构的因素。通过对现有铝合金表面结构制备方法的总结和分析,展望了其今后的发展趋势。     

超疏水表面在金属防护中应用的研究进展

超疏水表面由于具有独特的微纳米粗糙结构和低表面能性质,能形成空气垫物理屏障层,减小材料表面与水或其他腐蚀介质之间的接触面积,因此被广泛应用于金属的腐蚀防护。首先简单介绍了超疏水表面的相关理论,主要包括Young氏方程、Wenzel模型和Cassie-Baxter模型。然后,归纳总结了三种制备超疏水表面的有效途径:在低表面能物质上构建微纳米级粗糙结构;先构建出具有微纳米级的粗糙结构,再对表面进行低表面能修饰;一步法完成低表面能修饰和微纳米级粗糙结构的构建。在此基础上,详细地综述了常见的超疏水表面(薄膜或涂层)在金属防护中的应用。进一步介绍了通过在超疏水体系中引入缓蚀剂的方式,构建具有主动防护功能的超疏水表面,并介绍了此种超疏水表面在金属防护中的应用。最后指出了目前的超疏水表面在制备工艺以及耐久性等方面存在的问题,并对其在金属防护领域的应用前景和发展方向作出了展望。     

梯度润湿性ZnOHF薄膜上液滴定向铺展行为

目前对ZnOHF的润湿性相关的研究较少。借助ZnOHF的光响应润湿性转变特性制备梯度润湿性表面,研究该表面上的液滴定向铺展行为,验证应用该表面可提高潮湿环境中的集水量。通过水热法制备花状ZnOHF薄膜,基于其光响应特性对ZnOHF薄膜进行不同时间的紫外光照制备单侧梯度润湿性表面,研究液滴在梯度表面上的定向铺展行为。采用XRD和SEM表征产物的物相组成和微观结构,使用FT-IR表征紫外光照前后ZnOHF薄膜的-OH基团变化,使用接触角测量仪表征ZnOHF薄膜的润湿性,记录液滴的铺展行为。结果表明,在紫外光照射下,薄膜的接触角变化速度先快后慢,3 h即可由152°转化为0°。在梯度表面上水滴以7.42 mm/s的速度从光照起始线向超亲水端定向铺展4.08 mm,与均匀表面（1.16 mm/s）相比铺展速度更快,距离（3.82 mm）更远;梯度表面上的液滴可以克服重力铺展,其速度（3.84 mm/s）依然大于均匀表面。液滴在梯度表面定向铺展的主要驱动力为不平衡的表面张力,不同体积的液滴铺展到光照分界线处均出现加速现象。双侧梯度表面可以使小液滴汇聚于亲水区域,当液滴累积到一定体积时会向下渗透,...     

斜锥表面液滴的定向流动特性

目的 研究液滴在斜锥表面的定向流动特性，揭示液滴在斜锥表面的定向输运机理。方法 以斜锥表面液滴运动行为为研究对象，通过数值模拟技术提取液滴动力学参数，探讨不同斜锥结构参数对液滴自输运行为的影响。结果 液体内部速度的不均匀分布导致液滴内部产生速度涡旋，在泰勒毛细升力的作用下，斜锥间隙产生了涡量较大的速度主涡旋，液滴内部产生了涡量较小的速度次涡旋。在液滴定向输运过程中，2种涡旋的旋转方向与液滴的输运方向保持一致。液滴自输运过程伴随着表面能、动能的相互转化。在铺展收缩阶段，液滴的形变量较大，固–液接触面积和液滴的表面能先增大再减小，液滴运动速度却先减小再增大。在稳定输运阶段，液滴的表面能和速度基本保持不变。泰勒毛细升力和斜锥间隙中的不平衡毛细力驱使液体不断填充斜锥间隙。液滴在斜锥表面受到不平衡的钉扎阻力，使得液滴左侧更易脱钉，保证整个液滴向右无损输运。结论 可为揭示液滴在斜锥表面的流动特性和自输运机理提供理论支持，指导研制以斜锥结构为仿生原型的机械功能表面。     

楔形亲油轨道-超疏水复合图案化表面液滴引导及润滑增效研究

目的 实现液滴及润滑油在超疏水表面定向引导,并将其运用于机械摩擦副,改善摩擦润滑性能。方法 提出一种简单的超疏水高疏油涂层制备方法,即在硅烷耦合剂作用下利用1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷（FAS-17）改性气相纳米二氧化硅,经交联固化处理后制得具有超疏水高疏油特性的涂层。通过FT-IR分析涂层成分、SEM观测涂层形貌,验证了涂层制备方案的有效性。通过纳秒激光在疏油涂层上加工亲油楔形图案化表面,进行表面流体引导实验。通过开展球-盘标准摩擦实验和滚动轴承温升实验来验证楔形亲油图案化表面流体引导,用于实现机械摩擦润滑增效的有效性。结果 通过对涂层表面进行成分分析,验证了C-F键长链在二氧化硅粒子表面上的成功枝接。通过对涂层表面进行形貌观测,验证了表面微纳米粗糙结构的成功构建。所制备得到涂层表面去离子水、PAO4、石蜡油、白油、PAO6、齿轮油接触角分别为157°、142°、143°、144°、136°、145°。相比之下,普通铝板表面去离子水、PAO4、石蜡油、白油、PAO6、齿轮油接触角分别为46°、16°、17°、20°、15°、24°,涂层具有优异的超疏水高疏油特性。通过...     

基于图像处理技术界定微纳复合织构防覆冰性能

目的 制备具有防覆冰性能的微织构表面,准确评价微织构表面的结冰性能。方法 采用激光二次扫描方法,以铝合金为基底,构筑沟槽-凹坑型复合微织构表面,以水滴在其表面结冰过程的图像为对象,采用阈值法分割图像和背景,对提取出的图像进行形态学运算,通过分析水滴结冰过程中的轮廓变化规律,研究水滴结冰过程的状态变化,进一步界定水滴的结冰时间。结果 纳秒激光一次扫描形成的沟槽结构,增加了试件表面的粗糙度,使铝合金表面接触角由54.4°提高到116.5°,实现了铝合金表面的疏水性能。而二次扫描构建的沟槽-凹坑复合微织构,形成了Cw-Cn接触模型,进一步提高了试件表面的疏水性,试件表面接触角增大至154.4°。超疏水表面成核能垒高,且沟槽-凹坑复合微织构捕获的空气降低了固液界面的热交换速度,是铝合金表面结冰时间由11 s延长到551 s的原因。图像处理方法准确界定了水滴在结冰过程中的三个阶段。采用Harris角点检测法,可以实现精确判断结冰完成时间,减小了肉眼判断结冰状态所带来的主观误差。结论 纳秒激光二次扫描构筑的沟槽-凹坑复合微织构可以有效提高Al7075表面的疏水性,并延缓水滴在其表面的结冰时间。图像法处理提取的表面轮廓,为研究分析水滴在结冰过程中的状态变化提供了一种新思路。     

激光加工超疏水表面抗结冰性能研究进展

在低温环境中，表面结冰会严重影响户外装备的运行效率和安全，基于疏水材料的新型被动式防除冰方法引起了广泛关注。超疏水表面凭借其优越的拒水、抑制冰核形成和降低冰黏附强度等能力，在防除冰技术领域表现出广阔的应用前景。激光加工技术具有高效率和灵活性，成为制备超疏水表面的有效方法，并被进一步用来研究表面的抗结冰性能。首先，概述了固体表面润湿理论和结冰机理。其次，综合评估了激光加工超疏水表面的抗结冰性能，包括静态水滴延迟结冰时间、动态水滴累积、冰黏附强度、延迟结霜与抗冻能力、表面积冰与除冰等方面。静态水滴延迟结冰时间受到水滴与表面接触界面的成核速率和传热速率的影响，动态水滴累积与表面润湿性密切相关，冰黏附强度反映了表面对冰的附着性和除冰的难易程度。超疏水表面具有显著的延迟结冰能力，但在低温高湿条件下，表面的超疏水性可能会减弱，甚至失效。除冰过程也可能破坏超疏水表面的微观结构，进而影响其持续的抗结冰性能。最后，对超疏水表面激光加工与抗结冰性能的未来研究方向进行了展望。     

浸润性表面液滴定向输运研究进展

概述了固体表面润湿性等理论基础,随后重点综述了浸润性表面液滴定向输运的研究进展.浸润性表面液滴定向输运的驱动力主要来源于仿生结构或外场作用.其中对于仿生结构自驱动研究,概括总结了以蜘蛛丝、猪笼草和松针等自然界生物为仿生对象,依靠拉普拉斯压力差或表面能梯度实现液滴定向输运的相关研究,随后分析了其输运原理和优缺点,总结了其驱动力来源与理论公式.对于外场作用,其刺激源主要包括磁场、光场、电场、温度场和表面振动等,其中磁场作用力可以来源于液滴内部、液滴表面或液滴外部,光场主要包括近红外光、紫外光和可见光,电场主要包括静电吸引、静电排斥和电场间接作用等,温度场主要由蒸汽诱导、表面形变诱导以及热毛细作用诱导等,表面振动主要包括水平振动、垂直振动和声表面波作用等.接着基于不同输运原理分析对比了五种外场作用下液滴定向输运的特点.最后总结了浸润性表面液滴定向输运研究领域中存在的问题并展望了未来发展方向.     

Microstructural evaluation and tribological properties of underwater friction stir processed CP-copper and its alloy

Underwater friction stir processing was performed on commercially pure copper with a purity of 99.8% and a copper-zinc alloy (brass). The tool was made of tungsten carbide in the threaded cone form. Friction stir processing was performed at a tool rotational speed of 1800 r/min and a tool transverse speed of 4 mm/min while the samples were immersed in a water tank with a water circulation system. In order to evaluate the effect of the number of process passes on the microstructure and mechanical properties of the samples, this process was continued for up to 6 passes. Microscopic studies using light microscopy on commercially pure copper samples show significant decrease in grain size. Likewise, the hardness of the cross-sectional area shows an increase more than the base metal. The X-ray diffraction pattern of the underwater friction stir processed samples in comparison to that of the base metal exhibits shorter and wider peaks, while the background of the pattern is increased. The sum of these factors represents the formation of an amorphous/ultrafine grained structure. Also, the wear behavior of the samples was investigated by means of pin-on-disk method and the results show that the friction coefficient of processed samples is decreased compared to that of the base metal. The results of wear and hardness tests show that the underwater friction stir processing can significantly improve the wear resistance and hardness of commercially pure copper and brass.     

Wire electrochemical discharge machining (WECDM) of quartz glass with titrated electrolyte flow

Electrochemical discharge machining (ECDM) is a promising technique with great potential for application to machining non-conductive brittle materials. In this study, wire electrochemical discharge machining (WECDM) was applied to processing quartz glass with electrolyte supplied in titrated flow. During WECDM, under surface tension and gravity, the electrolyte flows down in droplets, over the graphite auxiliary electrode and brass wire, producing oxygen and hydrogen bubbles, respectively. The fluid inside the droplet forms eddies on the two sides of the quartz, removing chips and electrolysis resultants. Rapid replenishment of electrolyte to constant concentration can ensure even distribution of current density and a stable insulation gas film can thus be formed. Experimental results show that quartz glass processed by WECDM with titrated electrolyte flow yielded long straight slits of small mean width. In addition, with the electrolyte supplied in droplets, less electrolyte is consumed in the process. The proposed droplet titration approach to WECDM of quartz glass incurs less cost and pollution, making it both cost effective and environmental friendly.     

射频等离子体改性PTFE表面液滴撞击接触起电对润湿性的影响∗

液滴撞击固体表面是自然界的常见现象，研究超疏水表面的液滴撞击对其润湿性的影响，对于超疏水性材料的潜在应用具有重要的科学意义。采用 3、10、20 min 氧等离子体处理（OPT）和 1 min 八氟环丁烷等离子体聚合沉积（PPD）的等离子体方法改性聚四氟乙烯（PTFE）表面，获得具有不同尺寸和间距的微 / 纳米锥的超疏水 PTFE 表面，研究射频等离子体改性 PTFE 表面的液滴静态接触角、滚动角及液滴撞击动力学行为，分析在不同个数液滴撞击后 PTFE 表面的润湿性和液滴撞击行为变化，确定 PTFE 表面液滴撞击起电效应的影响机制。结果表明：通过 1~9 个液滴撞击后，PTFE 表面的静态接触角随撞击液滴数量增加而减小，导致静态接触角低于 150°；液滴滚动角随撞击液滴数量增加而增大，造成液滴滚动角高于 10°。 撞击液滴的接触时间随撞击液滴数量增加而增大，回弹系数随撞击液滴数量增加而减小。随撞击液滴数量增加，回弹液滴的正电荷和 PTFE 表面的负电压增大，PTFE 表面的负电荷对液滴产生强吸引作用，导致低粘附超疏水性被破坏。3 min OPT 和 1 min PPD 改性 PTFE 表面的纳米锥间距小，密度大，表面负电荷量增加明显，造成 PTFE 表面的疏水性降低的程度最显著。 研究结果可为改善超疏水稳定性的表面织构设计提供理论依据。