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.     

NIR驱动MWCNT修饰的超滑PI光热响应膜表面液滴定向输运

目的 制备多壁碳纳米管(MWCNT)修饰的超滑聚酰亚胺(PI)光热响应膜表面,实现近红外光(NIR)驱动液滴定向输运.方法 基于静电纺丝结合喷涂法制备MWCNT修饰的超滑PI光热响应膜表面,分别通过扫描电子显微镜、接触角测量仪、红外热成像仪表征样品的微观形貌、润湿特性及光热特性,分析液滴大小与润滑油黏度对液滴定向输运的影响规律,研究NIR驱动液滴在MWCNT修饰的超滑PI光热响应膜表面定向输运的作用机理.结果 MWCNT修饰PI膜表面的疏水性提高,液滴静态接触角从115°增大至160°.NIR连续照射MWCNT修饰的超滑PI光热响应膜表面90 s,表面温度的最大上升速率为42.6℃/s,表面最大温度达到123.6℃.通过NIR照射超滑PI纳米纤维膜表面,表面局部温度上升,产生润湿梯度力,驱动液滴在表面定向输运.液滴定向输运与润湿梯度力及粘滞阻力有关.超滑PI光热响应膜表面的润滑油黏度相同时,液滴体积越小,粘滞阻力越小,液滴定向输运的速度越快.5μL液滴在润滑油黏度为0.65 mm2/s的超滑PI光热响应膜表面的运动速度最大,运动速度为1.64 mm/s.液滴体积相同时,超滑PI光热响应膜表面的润滑油黏度越大,液滴受到的润湿梯度力越小.5μL液滴在润滑油黏度为100 mm2/s的超滑PI光热响应膜表面的润湿梯度力Fwet-grad最小,润湿梯度力为6.39×10?6 N.结论 MWCNT修饰的超滑PI光热响应膜表面具有良好的光热效应,NIR可精准驱动单液滴及多液滴在表面的定向输运.     

梯度润湿性图案化表面的制备及其输运性能研究

目的 针对液体输运距离短、速度慢等问题，提出一种基于梯度疏水基底的箭形图案化表面，该表面能有效改善液滴的输运性能。方法 对铝合金表面依次进行预处理、激光加工基底、低表面能改性处理和激光加工箭形亲水图案，得到具有良好输运性能的图案化表面。深入研究激光扫描速度对铝合金表面形貌和润湿性的影响。结果 随着激光扫描速度的提高，表面微结构由“微纳分层结构”逐渐变为“亚微米结构”，铝合金表面的粗糙度逐渐变小，导致表面静态接触角由150°左右降至107°左右，动态接触状态由滚动状态变为钉扎状态。另外，随着扫描速度的增加，基底表面O的质量分数从11.2%降至7.7%，F的质量分数从17.6%降至10.6%，表明表面氧化物减少，导致表面对含F有机物的吸附能力减弱，进而导致表面疏水性降低。液滴在基于梯度疏水基底的箭形图案化表面上的输运距离可达到61 mm，相较于均匀疏水基底，提高了34%。结论 采用梯度激光扫描速度和低表面能处理可简单、快速地获得梯度疏水基底，相较于基于均匀疏水基底的图案化表面，液滴在基于梯度疏水基底的图案化表面上的输运性能得到显著提高，液滴自发、定向和高性能的输运在水收集装置、传热设备等方面具有广阔的应用前景。     

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。     

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.     

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。     

场致射流微细放电加工的机理研究

提出了一种利用动态场致射流作为工具电极进行微细放电加工的方法。该方法是利用工件和喷嘴之间的电势差形成高压电场,使喷嘴出口的带电液滴同时受到表面张力和电场力的作用,带电液滴形成泰勒锥。在强电场力作用下,泰勒锥顶端产生一束极微细的电解液射流。当场致射流喷射到工件表面附近时,高压电场击穿射流尖端与工件间的气体介质,产生放电现象,工件表面放电点局部材料因放电所产生的热量而熔融、气化,从而产生材料蚀除。     

凹槽结构强化液滴合并弹跳的数值研究

目的 为研究凹槽结构对液滴合并弹跳现象的影响,提高液滴自弹跳的速度和能量转化率。方法 通过有限元方法模拟,研究了液滴在凹槽结构上的动态行为和槽深H、槽宽W及液滴尺寸对V型槽和矩形槽上液滴的弹跳速度、无量纲速度、表面能转化率、动量和总动能的影响。结果 凹槽内与槽外液滴间的合并弹跳包含液滴接触、产生液桥、三相线收缩和液滴弹离表面4个过程;宽高比相同时,液滴弹跳速度和表面能转化率均随液滴半径先增大后减小,凹槽宽高比为1.5,液滴合并弹跳半径为0.25 mm工况下表面能转化效率最高;矩形槽与V型槽,宽高比为1.5,液滴合并弹跳半径为0.25 mm时,液滴弹跳速度与表面能转化率随半径比先增大后减小,在半径比为1时达到峰值,二者表面能转化率最大值为27.87%和30.66%。槽宽恒定时,凹槽结构强化液滴合并弹跳存在最佳凹槽宽高比和最优弹跳半径,V型槽提升液滴弹跳效率比矩形槽高约12%。结论 合并后液滴撞击V型槽侧壁的反作用力使液滴旁瓣较矩形槽更早受到侧壁面抑制而发生回流,从而提升了其能量转化效率,减少了液滴的振荡损失与黏性耗散。研究结果在设计高效的自清洁功能表面、提高冷凝表面换热效率、预防和抑制换...     

环路热管碳纤维毛细芯表面改性性能对比

目的改善碳纤维表面亲水性能以应用于平板型环路热管毛细芯,并对比两种方法的优劣。方法采用两种方法对碳纤维表面进行改性—化学镀铜法(在碳纤维表面形成均匀铜镀层)、火焰喷涂金属粉末法(在碳纤维表面形成金属涂层),采用高速摄像机(High-speedCamera)、电子扫描显微镜(SEM)和红外成像仪(IR Camera)等表征设备,比对了处理后的表面形貌、亲水性能以及毛细抽吸力。通过IR图片测量吸液高度,建立数学模型,定量计算出两种方法改性后碳纤维的毛细抽吸性能。结果通过两种方法改性后的碳纤维,内部多孔结构均未被破坏且亲水能力都得到明显的提高,液滴接触碳纤维表面后迅速吸入纤维内部。化学镀层非常紧密平整,火焰喷涂涂层没有开裂,极少剥落。化学镀碳纤维的抽吸压为3.2kPa,渗透率为3′10-11 m~2,火焰喷涂金属涂层碳纤维的抽吸压为2.94 kPa,渗透率为8.16′10-11 m~2,说明通过两种方法改性得到的碳纤维均达到了平板型环路热管毛细芯的要求。结论通过化学镀和火焰喷涂对碳纤维进行表面处理均可以使碳纤维的浸润性得到明显改善,从而使其内部固有的多孔结构发挥出对水的毛细抽吸力,鉴于碳纤维作为一种厚度灵活的柔性材料,不受蒸发器尺寸的限制,可以成为传统烧结和金属丝网毛细芯的替代方法。     

液压锥阀内部运动流场的数值模拟

建立了液压锥阀的几何模型和数学模型,利用Fluent软件的动网格技术对其内部运动流场进行了数值模拟,并对模拟结果进行了分析。由分析结果可知：随着锥阀开度的减小,人口速度逐渐降低,流量相应减少,入口及阀芯凹角处涡旋区长度逐渐减小直至涡旋区消失。     

复合梯度楔形表面上液滴自输运特性的数值研究

目的 提高表面液滴的自输运速率。方法 在表面引入润湿梯度和楔形形状,基于VOF模型(流体体积模型)对表面液滴运动进行数值研究,并建立一种适用于润湿梯度和楔形图案联合的模型,分析润湿梯度和楔形角度对液滴位移的影响。结果 润湿梯度越大,液滴受不平衡的表面张力越大,液滴移动速度越快。润湿梯度为15 (°)/mm表面上液滴的平均速度比10、5 (°)/mm润湿梯度的表面分别快42.3%和130%。楔角越大,加速阶段的液滴移动速度越快,但会越早失去驱动力而停止移动,而楔角越小,液滴移动位移越大。液滴在40°楔角表面最先停止运动,在20°楔角表面位移比30°和40°楔角表面分别远10.3%和32.3%。联合润湿梯度和楔形图案后,15 (°)/mm表面上的液滴在20°、30°、40°和20°楔角表面上的液滴在15、10 (°)/mm下均能运动到计算模型出口,且15 (°)/mm、40°楔角表面液滴的平均速度达到292 mm/s,比单一梯度表面增长37.7%,比单一楔形图案表面(20°)增长175.5%。结论 通过调节润湿梯度和楔形角度,可有效控制液滴移动速度。联合润湿梯度和楔形图案的复合梯度楔形表面能同时减小润湿性范围瓶颈和楔形形状制约,提高表面液滴的移动速度和距离。研究结果将有助于设计高效的液滴输运功能表面,并可将其扩展到冷凝装置、微流体装置和药物检测等领域。     

无气离心喷涂涂料液滴流场和分布特性的数值模拟

目的 探究无气体输送的无气离心喷涂法过程中涂料液滴与管道内壁面之间的相互碰撞接触作用,以在高分子涂料离心喷涂法中获得致密高强度涂料内衬层。方法 将涂料液滴视为离散相,利用离散元方法和涂料液滴附着力JKR接触模型,模拟无气离心喷涂涂料液滴运动特性。通过堆积角虚拟试验确定涂料液滴与壁面表面能。基于离心场作用下涂料液滴运动方程,导出旋转喷枪射流小孔出流速度计算模型。数值模拟无气离心喷涂过程涂料液滴流体动力特性,揭示涂料液滴碰撞作用下动态喷涂成膜规律。结果 统计得到涂料液滴在水平壁面展平的表面能为32.7 J/m²。对于一定的喷嘴射流小孔,涂料液滴小孔出流系数接近于常数。随着计算时间的推进,壁面黏附涂料液滴数不断增加。在无气旋转喷枪II旋转速度2 500 r/min下,统计单元涂料液滴数最大,并且有较大的液滴数方差和相对误差。随着喷枪旋转速度的提高,涂料液滴数的方差和相对误差降低。结论 为实现沿管道壁面涂料液滴均匀分布,旋转喷枪II旋转速度建议不应低于5 000 r/min。     

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.     

超疏水锯齿表面振动液滴的动态特性

目的 在振动的超疏水锯齿表面上,液滴表现出明显的运动特征,探究在该过程中液滴的运动机理及影响因素。方法 采用铝片制作一系列具有一定倾角和高度的非对称锯齿状表面,使用疏水涂层Glaco Soft 99均匀喷涂,并干燥其表面,重复多次实验,直到表面具有稳定的超疏水性。加载一定的振动,对表面振动液滴的动态行为进行研究。结果 在一定的振动范围内,当频率的作用范围为10~100 Hz,振幅的作用范围为0~2 mm时,随着振动参数的增加,超疏水锯齿表面上的液滴会产生4种不同的行为,即静止、定向蠕动、跳跃、破裂等。实验表明,超疏水锯齿表面振动液滴的最快运动速度为8 cm/s。针对液滴的定向蠕动行为,运用力学分析方法,建立了液滴运动的物理模型,并分析了振动特征参数、锯齿表面参数、液滴体积对液滴运动特征的影响。结论 对于一定尺寸的液滴,存在一个由共振频率和最优振幅组成的最佳的振动加速度,可使液滴达到该条件下的最优运动速度。同时,通过改变锯齿表面的结构参数,可使液滴运动速度更快,并且随着液滴体积的增加,液滴运动速度呈现先增快、后减慢的趋势。     

Effects of welding velocity on the impact behavior of droplets in gas metal arc welding

The influence of welding velocity on the impact behavior of the globular metal transfer was studied by high speed video photography with a laser source during gas metal arc welding of E36 steel. The welding current and voltage were 180 A and 30 V during the welding process. The results indicated that the impact location of a droplet depended strongly on the welding velocity. There was a critical welding velocity (0.4 m/min) that when the welding velocity was lower than this value the droplet impacted inside the weld pool, while the welding velocity was higher than this value the droplet impacted outside the weld pool. The results showed that when a droplet impacted outside the weld pool it would rebound or adhere on the workpiece, which was depended on the kinetic energy of the droplet. The rebound percentage of droplets increased with increasing kinetic energy. With increasing welding velocity, the mass of droplets was not changed obviously, but the flight velocity of the droplet increased, i.e. the kinetic energy of droplets increased with increasing welding velocity. The results also showed that when a droplet impacted outside the weld pool, the droplet which rebounded away from the workpiece surface formed weld spatters, resulting in discontinuous weld appearance, while the droplet which adhered on the workpiece surface streamed to the weld pool and good weld joint would still be obtained. Molten metal decreases with increasing welding velocity. When the welding velocity increases from 0.4 m/min to 2.0 m/min, the weld width decreases from 12.9 mm to 6.3 mm and the weld penetration decreases from 5.4 mm to 2.1 mm.     

Photographing impact of molten molybdenum particles in a plasma spray

Plasma-sprayed molten molybdenum particles (∼40 μm in diameter) were photographed impinging at high velocity (∼140 m/s) on a glass substrate at room temperature. An optical sensor detected thermal radiation emitted by a droplet as it approached the substrate and activated a time delay unit. After a selected time interval, an Nd:YAG laser was triggered, emitting a 5 ns pulse that provided illumination for a charge-coupled device (CCD) camera to photograph the impacting droplet through a long-range microscope. By varying the delay before pulsing the laser, different stages of droplet deformation were recorded. Impacting droplets spread into a thin circular film that ruptured and broke into small fragments. An optical detector recording thermal radiation from the impacting droplet gave a signal that increased as the droplet spread out, reached a maximum when the liquid film began to rupture, and decreased as portions of the droplet recoiled because of surface tension and then flew out of view of the photodetector.     

Printing solder droplets for micro devices packages using pneumatic drop-on-demand (DOD) technique

A pneumatic drop-on-demand (DOD) system has been applied to solder complex and dense interconnects of modern micro electronic devices. Initial parameters of uniform droplets were first measured. Then influences of experiment parameters, such as the crucible temperature, the substrate temperature and the droplet velocity on spread of solder droplets, were investigated experimentally and theoretically. The results showed that effects of impact velocity on the spreading could be negligible and the solder spreading process was driven by capillary forces because of the low Weber (We) number of depositing droplet. The influence of initial droplet temperature on the droplet spreading was not regular. The contact diameter of solder droplets on copper substrate increased when the substrate temperature increased from 443 K to 493 K. At last, copper cables were successfully soldered to pins of a flexible circuit using the direct solder deposition and re-melting process. The soldering results showed the feasibility of the data-driven soldering technique using the pneumatic DOD deposition technology.     

激光液态填充焊的填材熔化与过渡稳定性

针对激光填丝焊过程中焊丝对入射激光能量的反射、匙孔不稳定等问题,提出了激光液态填充焊方法,采用电弧提前预熔焊丝,让填材以液态方式流入熔池中.分析了激光液态填充焊的熔化、过渡模式,以及工艺参数对过渡模式的影响规律.结果表明,在电弧热作用下焊丝有液桥过渡和滴状过渡两种模式,焊接电流较小时,焊丝的上部熔化,下部依然保持固态,形成稳定的液桥过渡;焊接电流较大时,焊丝端部全部熔化易回缩成球为滴状过渡,过渡稳定性变差.为改善滴状过渡的稳定性,可依靠间隙的毛细作用稳定流入熔池中.激光液态填充焊可降低对匙孔的冲击,提高匙孔的稳定性.