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.     

润湿性表面液滴导向运动的研究进展

润湿性表面的液滴操控技术由于其在微流控系统设计、生物医学分析、淡水收集、喷墨打印以及换热器等领域具有广阔的应用而备受学者关注.详细介绍了液固接触和液滴运动的基本理论.综述了近年来国内外学者对于润湿性表面上液滴导向传输技术的研究进展,按不同的润湿性表面涉及的不同驱动力,归纳了液滴在润湿性梯度表面上受表面梯度驱动、在超疏水...     

CaSO4液滴在超疏水表面上的蒸发结晶特性研究

目的 在铝基底上制备稳定的超疏水表面,研究其表面上硫酸钙液滴的蒸发结晶特性。方法 通过简单的化学刻蚀法制备了一种超疏水表面,基于温湿度可控的可视化平台开展固着硫酸钙液滴的蒸发过程实验研究。同时,基于温度和相对湿度,开发了多变量拟合二次回归模型来描述其对液滴蒸发速率的影响。结果 基底温度为40、50、60 ℃时,硫酸钙液滴和纯水液滴在亲水铝片表面上的蒸发模式均表现为CCR模式,在超疏水铝片表面上均表现为CCA模式。在超疏水铝片表面,纯水液滴与硫酸钙液滴的蒸发模式略有不同:在蒸发后期,硫酸钙液滴边缘盐分增加,在重力和Marangoni效应作用下,外部逐渐形成盐壳,接触半径呈上升趋势,说明超疏水表面不利于盐滴的钉扎。当蒸发速率较低时,在外部更容易形成盐壳,一旦外部形成盐壳,蒸发机制即发生了变化,液滴内部水分子需要克服盐壳内外的压差,并通过盐壳扩散进一步蒸发。结论 通过固着液滴实验验证了硫酸钙液滴的蒸发模式与基底温度无关,而与基底的润湿性有关,并且液滴的蒸发速率随着相对湿度的降低和温度的升高而增大。通过R²=0.993 7的多变量拟合二次回归模型,对影响液滴蒸发的因素进行了方差分析,结果表明:在超疏水表面上温度和相对湿度对硫酸钙液滴的蒸发速率均有显著影响。研究成果为矿井水的资源化利用提供了有效的理论支撑。     

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。     

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...     

疏水/超疏水Ti合金表面液滴的运动特性

采用激光加工技术在Ti6Al4V合金表面构建点阵微结构,利用自组装分子膜技术在微结构表面沉积低表面能物质,制备疏水/超疏水表面。采用自制测试系统测试液滴在试样表面的静态接触角和滚动角,用高速摄像机拍摄液滴滴落到试样表面的运动过程。结果表明,经激光加工和低表面能修饰可构建Ti6Al4V疏水/超疏水表面,其最大接触角为151.4°,表面静态接触角随点阵间隔的增大而减小;液滴静态接触角与液滴滴落高度相关,同一表面上的液滴静态接触角由最后一次滴落高度决定。液滴滴落到水平试样表面的铺展系数由试样表面粗糙度和静态接触角决定,表面粗糙度和静态接触角越大,液滴铺展系数越小。当滴落高度从0 mm增大到20 mm时,铺展系数的增大幅度约为50%。     

等离子体纳米织构化聚合物表面的液滴蒸发机制∗

超疏水性表面的微纳结构改变极大影响了液体蒸发行为,在超疏水性材料工程应用方面具有重要研究价值。 采用氧等离子体处理(OPT)和八氟环丁烷等离子体聚合沉积(FPD)的两步等离子体纳米织构化法在聚丙烯表面制备纳米线和纳米锥结构,研究具有不同纳米织构聚丙烯超疏水性表面的去离子水滴在 30 ℃和 60 ℃温度下的蒸发行为,并对其蒸发机制进行讨论和分析。 结果表明:液滴在超疏水性表面总蒸发时间随 FPD 时间的增加变短。 液滴蒸发初期,液滴在聚丙烯表面处于 Cassie 态,此时主要传热方式为聚丙烯表面通过气体与液滴间接传热,液滴均匀蒸发,蒸发模式为恒定接触角(CCA)模式;随蒸发时间增加,液滴在表面的浸润状态依次转变为 Marmur 态和 Wenzel 态,主要传热方式变为聚丙烯表面与液滴直接传热,液滴蒸发加快,蒸发模式转变为混合(Mixed)模式。 聚丙烯表面纳米织构的尺寸增大和团簇增加导致液滴与超疏水性表面之间的气相占比减少,造成聚丙烯表面与液滴直接传热加强,促进了液滴从 CCA 到 Mixed 的蒸发模式转变。     

超亲水/超疏水镍-纳米三氧化钨复合镀层的制备及特性分析

硬度高、寿命长、适用范围广的金属基自清洁表面的制备是国内外研究的热点和难点。以镍为金属基体,纳米三氧化钨（WO₃）作为功能性材料,采用复合电沉积法在金属基底上制备出超亲水或超疏水可选择的镍-纳米三氧化钨自清洁镀层。使用SEM、S-neox 三维光学轮廓仪、EDS、接触角测量仪等测量其表面形貌特征、力学性能、表面润湿性及光催化性能。结果表明：WO₃质量分数为17%时的镍-纳米三氧化钨复合镀层表面呈现典型的微纳米分级结构特征和超亲水润湿特性,并具有光催化降解甲基橙溶液能力;经氟化处理,复合镀层由超亲水转变为超疏水,接触角高达156.5°;经电化学刻蚀-氟化处理,复合镀层的疏水能力更强,光催化性更好;制备的复合镀层具备超亲水或超疏水特性,具有硬度高、与金属基体结合力大、光催化降解有机物等更加优异的自清洁性能。     

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。     

结霜前期纳米结构超疏水表面的凝结-冻结特性

研究结霜前期水蒸气在超疏水表面的凝结-冻结特性,有利于揭示超疏水表面的抑霜机理以及加深对结霜过程的认知。利用溶液刻蚀-沸水法制备了具有纳米结构的铝基表面,水滴与其形成的接触角达161.1°。通过微细观可视化观测,揭示结霜前期纳米结构超疏水表面的凝结-冻结特性,并与接触角为86.5°的裸露铝表面进行了对比分析。结果表明,超疏水表面凝结液滴的形状、尺寸和分布密度与裸露表面均存在差异,且液滴的冻结时间和冻结速率也不同。超疏水表面的液滴从17 min开始冻结,直到26 min才全部冻结,而裸露表面的液滴在4 min内就全部冻结。超疏水表面的纳米结构导致其与凝结液滴间的热阻增大,导热过程被削弱,从而抑制了液滴的生长与冻结。     

微纳结构对硅基超疏水表面冷凝特性的影响

目的 研究微米结构中心距对微纳二级结构超疏水硅表面热交换效率的影响。方法 首先采用湿法腐蚀在硅表面构建中心距分别为22、24、26、28、30 μm的微米四棱台结构,然后采用溶胶-凝胶法在表面涂覆疏水的纳米二氧化硅颗粒,获得微纳二级结构超疏水表面。通过表面接触角测量仪分析表面的湿润性,通过扫描电镜观察表面的微观形貌特征,使用光学显微镜观察冷凝小液滴自迁移现象,使用电子天平称量表面的冷凝集水质量。结果 当纳米结构相同时,随着微米结构中心距的增加,液滴静态接触角减小,冷凝小液滴的自迁移频率变慢,相同时间段内,平均集水效率下降。当相对湿度大于90%时,会出现表面“淹没”现象。微纳二级结构超疏水硅表面（微米结构间距22 μm）的集水效率是单独微米结构硅表面的1.38倍、单独纳米结构疏水表面的1.27倍、疏水硅光片表面的1.75倍、光二氧化硅亲水表面的3.6倍。结论 当纳米结构相同时,在一定范围内适当减小微米结构的中心距,有助于增强微纳二级结构超疏水硅表面热交换效率。     

聚醚改性多面体低聚倍半硅氧烷构筑耐水性亲水防雾涂层

目的制备一种高耐水性的亲水防雾涂层。方法通过光引发巯基-烯点击化学反应,合成聚醚改性多面体低聚倍半硅氧烷(POSS),得到聚醚改性POSS(POSS-SH6-PEGMA2),采用FT-IR、1H-NMR表征合成产物的结构。将其与亲水性UV树脂混合,在聚碳酸酯基板上涂布、光固化,形成高耐水性亲水防雾层。采用X射线光电子能谱仪(XPS)分析涂层表面元素,通过超景深三维显微镜对涂层表面形貌进行分析,使用接触角分析仪表征涂层的亲水性,并评价涂层的耐水性和防雾性能。结果通过XPS得到的结果表明,POSS在涂层中发生迁移,富集在涂层表面。通过超景深三维显微镜观察涂层表面发现,表面产生了一系列不同的微观结构,表面粗糙度增大。随涂层中POSS-SH6-PEGMA2的含量增大,涂层的耐水性、亲水性以及防雾性能增强。当POSS-SH6-PEGMA2的含量为55%时(POSS含量为9.71%),涂层的耐水性(吸水率为7.3%)、亲水性(水接触角为7.41°±2.35°)和防雾性能最佳。结论在聚乙二醇二丙烯酸酯涂层中添加一定量聚醚改性POSS(POSS-SH6-PEGMA2的含量为55%),能获得高耐水性的亲水防雾涂层。     

超疏水性聚合物表面宏观结构对液滴撞击行为影响∗

超疏水性表面的液滴撞击是普遍存在的现象,研究具有不同尺寸和形状宏观结构的超疏水性表面对液滴撞击行为和接触时间的影响,对于其潜在应用具有重要的理论指导作用。 采用等离子体纳米织构化方法在平整与具有矩形、半圆形和三角形宏观结构的聚乙烯表面上制备超疏水性纳米线结构,通过高速摄像机观察超疏水性聚乙烯表面的液滴撞击行为,分析撞击液滴的形状演变和接触时间变化。 研究表明:超疏水性聚乙烯表面的矩形、半圆形和三角形宏观结构可显著改变液滴的撞击行为,液滴铺展后回缩过程的缩减加速了超疏水性表面液滴的弹离,有效降低了超疏水性表面的固液接触时间。 超疏水性聚乙烯表面的矩形、半圆形和三角形宏观结构尺寸小于液滴直径时,均可造成高速撞击液滴分裂,液滴的分裂回弹导致固液接触时间进一步降低,接触时间最低可达到约 4. 8 ms。 疏水性表面的宏观结构有利于固液接触时间降低,具有宏观结构的疏水表面展现出抗水滴高速撞击的去润湿性能。     

PET薄膜的亲水改性研究

目的 探索对聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜亲水改性的制备工艺,研究其是否能有效提高PET薄膜表面的亲水性。方法 将PET薄膜裁剪成1 cm×4 cm的矩形样条,样条放入盛有无水乙醇的离心管中超声清洗,经烘干后再放入叔丁基过氧化氢(TBHP)溶液中进行引发反应,引发完成的PET薄膜样条依次用无水乙醇、水超声清洗后放入PVP溶液进行改性,最后超声清洗并烘干放置24 h进行接触角测试与红外光谱测试,分别评价PET薄膜的亲水性与表面成分变化。结果 使用不同PVP进行改性,PVP-K90对PET薄膜的改性效果最佳,接触角下降最明显,其接触角为21.3°。研究不同浓度TBHP对接触角的影响,随着TBHP浓度增加,接触角逐渐减小,TBHP浓度为1%时,其接触角为28°。探究不同浓度PVP-K90对接触角的影响,随着PVP-K90浓度增加,接触角呈现先减小后略有增大的变化趋势,PVP-K90浓度为5%时达到最小值(24.2°)。最佳配方和工艺为：5%PVP-K90+1%TBHP,温度80℃,转速600 r/min,反应时间1 h。PET薄膜的接触角从改性前的81.7°下降到改性后的29.5°,亲水...     

厘米尺度亲疏水间隔表面水下气膜维持效果及机理研究

目的 面向水下航行器减阻技术挑战,克服现有全超疏水表面气膜维持效果较差的问题,提出了厘米尺度的亲疏水间隔表面水下气膜维持思路,以获得更高的水下减阻性能。方法 采用k-ω湍流模型对厘米尺度的亲疏水间隔表面、全超疏水表面进行了流速0.5 m/s的水流冲刷模拟仿真,其中亲疏水间隔表面设定凹槽中的超疏水表面接触角为165°,亲水间隙接触角为45°;全超疏水表面的接触角均为165°。随后基于仿真结果,对厘米尺度的2种表面在不同水流速度和供气条件下进行水流冲刷实验,研究了这2种表面在不同实验条件下的气膜形状变化。结果 仿真结果显示亲水间隙的存在使凹槽内的气体受到钉扎束缚作用,可以实现气膜维持。实验结果显示在厘米尺度下,全超疏水表面在流速为0.55 m/s的条件下气膜维持情况较好,但在流速达到0.94 m/s,雷诺数为Re=14 030时,实验部分的流动状态为湍流状态,凹槽内气膜覆盖的面积时有变化,能覆盖的面积一般不超过凹槽面积的50%,很难维持完整的气膜;而在0～1.2 m/s的流速范围内,亲疏水间隔表面能够在超疏水区域始终维持稳定气膜表面,具有好的气膜维持效果。结论 相比均匀的全超疏水表面,亲疏...     

介电泳辅助水溶解抛光过程中微水滴分布的仿真与实验研究

目的 为解决KDP晶体无损表面的制造难题,进一步提升水溶解抛光方法的抛光质量和效率,研究介电泳效应对水溶解抛光液的影响.方法 提出一种介电泳辅助水溶解的抛光方法,最终获得超光滑表面,采用有限元软件模拟极化后微水滴的运动行为,并搭建验证性平台观测介电泳力作用下抛光液的吸附行为,验证抛光原理.之后数值模拟不同的电极形状对微水滴受到介电泳力的影响规律,优化得到最优电极形状参数.最后搭建试验平台,验证介电泳对水溶解抛光效率和质量的提升效果.结果 微水滴会在介电泳力作用下发生形变,并聚集在晶体表面附近,从而提高抛光过程中参与溶解的微水滴数量,加快溶解去除速率.同时,上电极也会对抛光液产生"吸附"作用,延长抛光液在晶体表面的作用时间,减小抛光液甩出率,进一步提高抛光效率.双螺旋结构电极具有最大的电场梯度,能够使水滴受到最大的介电泳力而向晶体表面聚集.经过20 min抛光后,采用传统水溶解抛光的KDP晶体表面粗糙度Ra由抛光前的590 nm降低至1.637 nm,而采用介电泳辅助水溶解抛光的KDP晶体,表面粗糙度降至1.365 nm,表面质量更高.与传统水溶解抛光相比,介电泳辅助水溶解抛光效率提升24％,同时能够更快地获得光滑表面.结论 在介电泳效应的辅助作用下,KDP晶体水溶解抛光质量和效率均得到了提升.