仿生集水表面的研究进展及应用

淡水资源紧缺是当今全球面临的严峻挑战,随着全球人口增长和气候变化的影响,人类面临着日益严重的水资源短缺问题。近年的研究结果显示,通过仿生手段从大气中获取水资源,是一种备受关注的可行方法,仿生集水技术应运而生。仿生集水技术具有广泛的应用潜力,在大气水收集、海水淡化、工业废水回收和微流控等多个领域具备较好的应用前景。综述了近年来仿生集水技术的发展现状、制备工艺、集水原理和应用前景,总结了基于新型生物学水收集原理的仿生材料/结构/表面处理方法和应用研究现状,分析了仿生集水技术当前面临的问题,包括非均匀润湿集水表面相关理论的深入研究、集水表面耐久性提高及高效低成本制备工艺的开发等,未来的研究方向可集中在提高仿生材料集水性能的可持续性和制备成本的降低等方面,以推动该技术的商业化推广和规模化应用。通过持续的研究和创新,有望看到更多高效、经济的仿生集水技术出现,为人类面临的水资源短缺挑战提供有效的解决方案。     

液体自输送功能性表面及其应用

液体自输送功能性表面在微流控、传质传热等领域有着重要的意义,此类表面发挥作用往往受到固体表面微纳米结构、固-液之间的静态润湿特性和动态润湿特性的综合影响.重点概述了固-液接触润湿模型与粘附性的关系,固体表面特性(即表面微观结构和润湿性)对固-液接触状态的影响.在此基础上,按照产生自驱动力的固体表面特性是否均匀,将液体自...     

仿生取向结构表界面及其摩擦各向异性研究进展

在长期的进化和生存竞争中,自然界生物表界面形成了优异的取向结构来执行传播、攀爬、移动与粘附等诸多行为,而基于形态结构的摩擦各向异性在其中扮演了重要角色。研究自然界取向结构表界面,从而揭示其摩擦各向异性行为和规律,并从中获得灵感,采用物理、化学手段进行仿生构筑和研究,对现代许多科技领域发展新型仿生功能性表界面材料具有重要意义。以露珠草和猪殃殃的倒刺结构、蛇腹部鳞片微结构、壁虎脚掌刚毛微结构为例,详细阐述了具有代表性的自然生物表界面的取向微结构形态及其功能,并对生物表界面产生摩擦各向异性行为的两种机理做了解释。在此基础上,简介了模板法、增材制造等几种仿生取向结构的制备方法,以及基于仿生取向结构的表界面摩擦各向异性研究成果。最后,列举了以蛇的蠕动行进、壁虎的高粘附为仿生对象,构筑具有摩擦各向异性的取向结构表界面,及其在仿生驱动、攀爬和定向输运等方面的应用实例,并展望了仿生摩擦各向异性领域未来的研究重点和发展方向。     

基于表面微结构复制与润湿性调控的水下仿生防污技术研究进展

海洋生物污损会对人类海洋活动和海洋工业产生诸多不利影响,传统使用有机锡或金属离子杀生剂的防污策略会导致环境污染与生态系统的破坏,大自然生物有机体所展示的天然抗粘附机制为绿色防污材料研发带来新的灵感。受生物表皮物理结构及仿生防污机制启发,本文从生物表皮微结构研究入手,综述了仿生微结构复刻与表面润湿性调控两种水下仿生防生物污损策略的研究进展,并展望其前景。     

多孔储液材料的仿生制备及其摩擦学性能研究进展∗

多孔储液材料因其优异的自润滑性能备受关注,特别是其孔隙结构参数与性能间对应关系的研究一直是学术界和工业界亟待解决的问题。 针对该类多孔储液材料,从来源、制备方法以及摩擦学特性等方面对其发展脉络及面临的问题进行梳理和分析,认为在仿生关节软骨制备适合工业应用的摩擦副方面,如何提取关键仿生特征参数是关键。 目前在进行服役可靠性、工况适应性分析时,多用孔隙率来表征多孔结构特征,在明晰孔隙形态参数(孔径,分布,贯通型等)与力学-物理性能、润滑状态之间的映射关系方面存在明显的不足,导致从优化孔隙形态参数入手实现多孔储液材料力学-物理性能与摩擦学性能的统一方面仍具挑战性。 3D 打印技术的快速发展有望解决当前多孔材料成形过程中孔隙形态参数不可精确控制的问题,并为其自润滑理论的发展提供有效试验手段。     

仿生集水纤维研究进展及应用

淡水资源短缺是全球共同面临的严峻挑战。相关研究发现,模仿蜘蛛丝等生物结构从空气中收集水分,是缓解当前水资源危机的有效途径,已成为仿生集水领域的研究焦点。本文从基础润湿理论、液滴定向传输机理、定向集水机制、仿生纤维设计特点及制备方法等方面进行了综述,重点介绍了Young’s方程、Wenzel模型以及Cassie-Baxter模型等基础润湿理论。将纤维集水过程划分为冷凝结露、定向运输和液滴脱附3个阶段,并深入阐述了蜘蛛丝集水过程的内在机制,包括拉普拉斯压力梯度、表面能梯度、滞后效应和液滴悬挂能力。分析了影响集水效率的关键因素,并列举了提升纤维集水效率的常用策略。归纳了仿生纤维结构的主要仿生对象、仿生原理以及所采用的主要制备技术,并对不同技术的优缺点及适用场景进行了详细分析。最后,对不同仿生纤维网状集水器的集水特点和集水效率进行了比较,分析了仿生纤维集水技术在大气水收集、海水淡化、工业蒸气回收以及油水分离等领域的应用潜力,并对该技术的未来发展方向及现有不足提出了改进意见和展望。     

仿生微纳结构抗菌表面研究进展

介绍了天然抗菌微纳结构的特点及抗菌效果,从灵感来源、基底材料、构建方法、表面特性和结构、抗菌效率六个方面,总结了利用不同技术模拟蝉和蜻蜓的翅膀、蛾眼和壁虎皮肤微纳结构的仿生研究进展。阐述了材料表面微纳结构的形貌和粗糙度对抗菌效率的影响,发现具有多层次、间隔紧密、尖锐纳米柱结构的表面对革兰氏阳性和革兰氏阴性菌均表现出较强的抗菌活性。微纳结构抗菌表面与细菌相互作用,破坏细胞壁/膜,导致细菌死亡,该抗菌机制是物理机械性的,避免了细菌耐药性的产生。该综述为今后仿生微纳结构抗菌表面的发展提供了理论基础,并提出了未来的研究思路和发展方向。     

仿生结构复合陶瓷刀具材料力学性能及显微结构

针对不同烧结条件及TiC/WC组分比,采用热压烧结工艺制备出三层仿生结构复合陶瓷刀具材料。测试了仿生结构复合陶瓷材料力学性能,并对材料断口形貌和裂纹扩展进行了观察分析。结果表明：仿生结构复合陶瓷刀具材料抗弯强度达870 MPa,维氏硬度达21.83 GPa,断裂韧性达7.56 MPa?m_1/2,比SG4均质陶瓷刀具材料性能有所提高。断口形貌显示仿生结构复合陶瓷刀具材料较SG4均质刀具材料晶粒细密,晶粒尺寸呈现多尺度特征。材料断裂模式为穿晶断裂和沿晶断裂混合型。仿生结构复合陶瓷材料表面裂纹扩展呈现偏转和分叉。裂纹穿过材料界面扩展时有明显偏转现象。     

鲨鱼皮仿生结构应用及制造技术综述

鲨鱼体表的盾鳞沟槽结构具有显著的减阻效果。鲨鱼仿生沟槽结构的应用涉及航空、舰艇、汽车、管路运输、风力发电等领域。鲨鱼皮沟槽结构的仿生制造主要有两个途径,即沟槽结构形式与鲨鱼盾鳞仿真结构形式。文章针对沟槽结构的微槽滚压、金刚石多轮廓磨削、飞秒激光烧蚀等制造技术,及鲨鱼盾鳞仿真结构的微压印法、固化法、微电铸法、微纳米滚压法、软刻技术等进行了综述,并对鲨鱼皮仿生结构制造技术进行了展望。     

液压闭式回路无动力补油的试验研究

液压闭式回路的补油问题直接影响着闭式回路的性能,为了使系统更为可靠,一般采用动力补油的方法,在一定程度上确实能提高系统的性能,但是却增加了成本与系统的体积,本文采用了一种无动力补油的方法,并设计出了一种新型的补油阀,经过试验研究,其性能完全可以达到系统的性能要求,从而大大降低了系统的成本与体积。本文在试验的基础上,对该补油阀进行了静、动态特性分析,结论是该阀工作可靠、体积小,完全可以作为补油阀使用。     

超声振动和直流电耦合作用对润湿行为的影响

采用平衡润湿测试法研究了270 ℃时,施加超声振动和直流电耦合作用对液态Sn钎料在Cu基体上润湿行为的影响。通过对润湿平衡曲线的测量发现：超声和直流电耦合作用能显著改善Sn钎料的润湿性,随着超声功率和电流强度的增加,最大平衡润湿力也随之增加。对润湿过程中界面微观结构的观察结果显示,超声和直流电耦合作用增强了Cu基体在熔融Sn钎料中的溶解,促进了界面金属间化合物的析出。利用有限元软件对液态Sn钎料内部的声压分布进行模拟,发现最大声压发生在超声探头的端部。在超声振动和直流电耦合作用下,界面析出金属间化合物时所产生的化学驱动力以及超声和直流电作用引起钎料内部强烈的对流作用共同促进了三相线的移动,从而改善了钎料润湿性。     

铬对金刚石润湿性和把持力的影响

以Al基结合剂为基体,研究了加入不同质量分数Cr的Al-Cr合金对金刚石的润湿性的影响。以Al-Cr合金为基体,加入金刚石,用热压烧结的方法得到金刚石节块,测量了节块的抗弯强度。实验结果表明:在Al中加入质量分数为3%和5%的Cr对金刚石的润湿性没有改善,但可提高把持力。把持力提高的原因是Al基基体和金刚石之间反应生成了一层中间物,加强了Al基结合剂和金刚石之间的黏结,提高了胎体对金刚石的把持力。     

INTERACTION BETWEEN Cu AND LIQUID Sn——Also on Physical Meaning of Wetting Curve

用显微结构方法研究了Cu与液态Sn的相互作用;作出了浸沾时间与Cu溶解扩散的关系图。温度升高至350℃时金属间化合物Cu_6Sn_5的生长有突跃,以羽毛状迅速生长并突破沾Sn层。研究了抑制金属间化合物生长的各种方法。根据上述研究,详细讨论了meniscograph方法所得润湿曲线的物理意义。     

3D打印制备各向异性超疏水功能表面的定向输送性能

目的 在光敏树脂基底上制备各向异性超疏水功能表面,实现液滴的定向输送。方法 采用光固化逐层成形3D打印法,在样品基底上制备具有不同形状和结构尺寸的超疏水结构阵列。通过扫描电子显微镜（SEM）、EDS能谱分析,对样品的表面形貌与化学成分变化进行表征。采用接触角检测系统、高速摄像机,通过液滴弹跳、各向异性润湿性与定向输送实验,分析与评价不同阵列表面的超疏水性能、各向异性润湿程度以及定向输送行为。结果 液滴弹跳实验结果表明,液滴可在正方体及交错长方体阵列表面形成饼状弹跳,且后者超疏水性能最佳。各向异性润湿性实验结果表明,在圆柱体阵列中,各向异性润湿性程度随相邻圆柱体高度差Δh的增大而趋于显著,且Δh=1 mm时,各向异性润湿性最为显著;在长方体阵列中,长方体宽度w1及相邻长方体间距sp1对各向异性润湿性程度均有一定影响,w1=0.3 mm、sp1=1 mm时,各向异性润湿性最为显著。定向输送实验结果表明,Δh=1 mm的圆柱体阵列及w2=0.7 mm、sp2=0.7 mm的长方体阵列的定向输送性能最佳,液滴可按照设计的路线精准流动。结论 3D打印所制备的光敏树脂基功能表面的超疏水性能、各向异性润湿程度以及定向输送行为由其表面形貌和结构尺寸所决定,所制备的样品可实现液滴的精准定向输送。     

INTERACTION BETWEEN Cu AND LIQUID Sn—Also on Physical Meaning of Wetting Curve

The interaction between Cu and liquid Sn was studied by microstructure observation.Thecurve of the dipping time with related to dissolving and diffusion of Cu in liquid Sn is given.The Cu dissolves rapidly in liquid Sn at the beginning,then an intermetallic compoundCu_6Sn_5 forms,and the dissolving follows to slow down.At temperature up to 350℃,the hardfeather-like Cu_6Sn_5 is sharply growing up and speads through the dipped Sn laver.The wayto inhibit the growth of the intermetallic compound Cu_6Sn_5 was also approached.Thus,on theabove mentioned basis,the physical meaning of the wetting curve traced by the meniscographwettability tester has been derived as film detaching,Cu dissolying and Cu_6Sn_5 growing.     

结构调整是铸造企业生存发展的动力

阐述了企业结构调整的概念及其重要性,以自己企业为例,详细介绍了包括技术装备调整、市场定位调整、产品档次调整、管理模式调整和人才结构调整为内容的企业结构调整方向,从实践中体会到:结构调整的内容必须针对企业的实际情况;基础管理是企业进行结构调整的前提。提出了以内部结构调整为主线,技术创新为重点的基本思路;通过采取一系列措施,解决了影响企业进入市场的障碍问题,揭示了结构调整对企业生存发展的重要性和必要性。     

Fe—C—Si—Mn系合金贝氏体相变动力学计算

采用规则溶液模型与超组元模型计算了7种Fe—C—Si—Mn系合金的等温相变驱动力在此基础上估算了合金等温转变的相对形核率与相对孕育期。计算结果表明,不含碳的二元与三元合金,孕育期主要由相变驱动力决定;而含碳合金,相变驱动力不是相变动力学的主要控制因素,从一个侧面支持了溶质类拖曳(SDLE)理论。     

Cu与液态Sn的相互作用——兼论润湿曲线的物理意义

用显微结构方法研究了Cu与液态Sn的相互作用;作出了浸沾时间与Cu溶解扩散的关系图。温度升高至350℃时金属间化合物Cu_6Sn_5的生长有突跃,以羽毛状迅速生长并突破沾Sn层。研究了抑制金属间化合物生长的各种方法。根据上述研究,详细讨论了meniscograph方法所得润湿曲线的物理意义。