水中油滴在不同润湿性表面上的铺展行为研究

通过高速显微实验与理论推导相结合的方式,从微观角度研究了水中油滴在光滑铜板基底的铺展行为;通过物理和化学修饰,实现了黄铜表面水下超亲油到超疏油的可控调节,观察了油滴浮升到修饰黄铜表面后铺展长度随时间变化的差异.与空气中液滴撞壁铺展不同,水中油滴的铺展需要同时考虑液滴铺展过程中周围流体对液滴铺展的黏性作用,其在基底表面的...     

基于格子Boltzmann的喷印OLED散点墨滴沉积仿真分析

为解决喷印OLED发光层制备中基板污点、涂布不均等问题引起的Mura缺陷,建立基于BGK-LBM（单松弛格子Boltzmann方法）的三维数值模型,对喷印OLED像素槽附近墨滴落点偏差引起的散点沉积缺陷进行仿真分析。先研究不同墨滴尺寸以不同撞击速度撞击不同接触角平板后的最大铺展半径,再以最大铺展半径为参考研究不同润湿性梯度下的像素槽外墨滴的铺展回流。结果表明：对于微米级直径的OLED喷印墨滴,尺寸越大、墨滴撞击速度越大、像素坑内接触角越小其最大铺展半径越大;而针对存在落点偏差的散点,当最大铺展半径大于或等于散点的落点偏差时,将在足够的像素槽基板内外接触角差值引起的润湿性梯度牵引下重新进入像素槽内;撞击速度还影响其回缩阶段的回缩速度,撞击速度越小回缩越慢,因而墨滴会存在受到润湿性梯度的影响而被牵引向润湿度高的一侧;只有当像素槽内外接触角造成的润湿性梯度足够时,在撞击铺展后边缘进入像素槽边界处的墨滴才能被牵引重新流入像素槽内,散点沉积缺陷即得到抑制。本文提出的最大铺展半径可以用来拓宽像素槽外墨滴的有效落点范围,作为喷印OLED制备中打印精度控制的参考,用于指导生产。     

液滴撞击圆柱外表面蒸发换热的数值模拟

为进一步研究液滴撞击加热壁面过程中的破裂现象及不同参数对液滴蒸发换热的影响,采用CLSVOF方法和相变模型对液滴撞击加热圆柱外表面进行三维数值模拟.模拟过程中考虑了壁面温度、接触角以及撞击速度对液滴蒸发换热的影响.结果表明:液滴产生破裂的位置与液滴撞击壁面时的速度有关,当撞击速度较小时,破裂产生于液滴中心处;当撞击速度较大时,破裂处位于中间和边缘两部分液体之间.液滴撞击壁面后,在三相接触线和液滴破裂处附近产生了蒸汽旋涡,强化了液滴与壁面间的换热,增加了液滴侧的壁面热流密度.短时间内壁面温度对液滴蒸发量的影响较小,但撞击速度与接触角对其蒸发量的影响较大,且接触角越小,撞击速度越大,壁面平均热流密度越大,液滴蒸发量越大,有利于液滴与壁面间的换热.     

不锈钢微米级球冠形表面的润湿性能

分析了不锈钢(1Cr18N i9Ti)微米级球冠形表面点阵的高度和行间距等因素对润湿性能的影响。试验结果表明:材料表面的微米级球冠形点阵增加了水滴与表面的实际接触面积,导致材料表面与水的实际接触角下降,最大下降幅度达28.5%,增加了材料表面的亲水性能。     

Transition of super-hydrophobic states of droplet on rough surface

Twelve samples with periodic array square pillars microstructure were prepared on the silicon wafer by plasma etching techniques, on which space b of the square pillars increased from 5 to 60 m. In order to study the effect of b on the wettability of the rough surface, the effects of apparent contact angle (CA) and sliding angle (a) of the droplet on the rough surface were measured with the contact angle meter. The results show that the experimental values of CA well agree with the classical wetting theory and a decreases with the increase of b. Two drop shapes exist on the samples' surface, corresponding to the Cassie state and the Wenzel state respectively. The contact state in which a drop would settle depends typically on the size of b. On the role of gravitation, the irreversible transition of a drop from Cassie state to Wenzel state should occur at a certain space of the square pillars. Since the transition has implications on the application of super-hydrophobic rough surfaces, theoretically, the prediction of wetting state transition on square pillar array micro-structured surfaces provides an intuitionistic guidance for the design of steady superhydrophobic surfaces.     

Effects of different characteristic surfaces at initial stage of frost growth

The effects of surface energy on phase change of water vapor at initial stage of frost growth were studied to find an effective method of restraining frost growth. The mechanism of restraining frost growth by low energy surface (bigger contact angle) was analyzed based on crystal growth theory. Then, the phase change of water vapor and the process of frost growth on the copper and wax energy surfaces were observed using microscope. The results indicate that it is difficult for wax surface (low energy surface), on which there are still water droplets at 100 s, to form critical embryo, so frost growth can be restrained in a way. Water formation, droplet growth, ice formation and dendritic ice growth processes happen on both surfaces, ordinally. But the ice beads, with larger average diameter and sparse distribution on the wax surface, form later (at about 300 s) than that on the copper surface, and the dendritic ice also appears later. All of these support that ice crystal formation and dendritic crystal growth at initial stage of frost growth can be retarded on the low energy surface.     

纳米结构中浸入特性的非平衡分子动力学模拟

为明晰复杂纳米通道内流体流动规律,采用分子动力学方法研究压力驱动作用下不同润湿性纳米通道的液态水浸入特性。建立液态水/不同润湿性纳米通道的非平衡态分子动力学模型,研究驱动压大小、壁面润湿性及纳米粗糙元结构对液态水浸入特性的影响规律。模拟结果表明:相同驱动压条件下,液态水易于浸入亲水性纳米结构通道内,相比于光滑纳米通道,纳米粗糙元结构凸显液态水的表面张力作用,提高液态水持续浸入纳米通道的驱动压;纳米粗糙元结构对液态水浸入速度以及密度分布均有影响,纳米粗糙元距离入口处越近,浸入过程的阻力越大,即液态水浸入纳米通道内的体积通量越小,研究结果为明晰复杂纳米通道内液态水输运的微观机理提供理论基础。     

纳米结构中浸入特性的非平衡分子动力学模拟

为明晰复杂纳米通道内流体流动规律,采用分子动力学方法研究压力驱动作用下不同润湿性纳米通道的液态水浸入特性。建立液态水/不同润湿性纳米通道的非平衡态分子动力学模型,研究驱动压大小、壁面润湿性及纳米粗糙元结构对液态水浸入特性的影响规律。模拟结果表明:相同驱动压条件下,液态水易于浸入亲水性纳米结构通道内,相比于光滑纳米通道,纳米粗糙元结构凸显液态水的表面张力作用,提高液态水持续浸入纳米通道的驱动压;纳米粗糙元结构对液态水浸入速度以及密度分布均有影响,纳米粗糙元距离入口处越近,浸入过程的阻力越大,即液态水浸入纳米通道内的体积通量越小,研究结果为明晰复杂纳米通道内液态水输运的微观机理提供理论基础。     

Al2O3纳米流体液滴撞击壁面的动力学行为数值研究

针对纳米流体液滴撞击固体壁面的动力学行为,建立基于相场方法描述液滴动态过程的二维数值模型,引入Kistler动态接触角模型以模拟铺展过程中液滴动态接触角变化以及三相接触线的迁移. 通过模拟分析液滴铺展因子、无量纲高度的变化研究不同纳米颗粒体积分数、惯性力和液滴直径等因素对水基Al₂O₃纳米流体液滴撞击壁面的铺展回缩过程的影响机制. 结果表明：超过一定体积分数的纳米颗粒使流体表现出明显的剪切稀化特性,增加液滴的黏性耗散,抑制液滴的铺展回缩过程;液滴撞击速度的增加会增大其撞击壁面时最大铺展直径和达到稳定状态的耗时,直径的增加使液滴振荡周期加长;体积分数为4%的纳米颗粒可以抑制上述两者带来的影响,使液滴更快到达稳定状态.     

硅基表面无形貌改变的硫酸／过氧化氢氧化清洗

提出了一种利用硫酸／过氧化氢溶液氧化清洗硅基的方法．硅片经超声预清洗后,放入硫酸／过氧化氢溶液中,80℃下氧化清洗其表面的污染物．通过接触角检测,表征了清洗前后硅基表面的亲水性变化．通过原子力显微镜（AFM）表征了经硫酸／过氧化氢溶液清洗后硅基的表面形貌．结果显示,经硫酸／过氧化氢溶液亲水化清洗30min后的硅基表面的接触角为7．3°,显示出很强的亲水性,其表面均方根粗糙度（RMS）仅为0．03nm．因此,硫酸／过氧化氢氧化清洗法是一种硅基表面无形貌改变的亲水化清洗方法．     

蝴蝶翅膀表面非光滑鳞片对润湿性的影响

对8科34属48种蝴蝶翅膀表面的润湿性进行了定性、定量研究。用扫描电子显微镜对蝴蝶翅膀表面进行观察得到:鳞片长为55~150μm,宽为35~105μm,鳞片上突起的高为200~950 nm。用视频光学接触角测量仪对翅膀表面的静态接触角和滚动角进行测量得到:接触角为134.0°~159.2°,表明翅膀表面具有较强的疏水性;顺向滚动角均小于3°,逆向滚动角均大于65°,表明翅膀鳞片结构具有明显的各向异性。蝴蝶翅膀表面的润湿性是由鳞片微米和纳米结构协同作用的结果。     

液滴撞击疏水球面的高速可视化实验研究

基于高速可视化成像实验平台,对液滴撞击疏水球面进行了实验研究,观测并定量表征了液滴撞击过程的动态行为,分析了液滴撞击速度和液滴-球体直径比对液滴撞击行为特征的影响。实验结果表明:撞击过程可分为铺展、回缩和振荡3个阶段;液滴在接触球面后沿接触点向四周均匀铺展,达到最大铺展后回缩,之后进行多次铺展-回缩的振荡过程,直到动能与表面能达到平衡状态,液滴在球面上趋于静止;液滴撞击速度的增加增大了液滴惯性力,促进液滴的铺展,使液滴达到平衡稳定状态所需要的时间增加;液滴-球体直径比对液滴撞击行为特征影响较小。     

Droplet creator based on electrowetting-on-dielectric for lab on a chip

With the development of micromachining technology, the micro total analysis system (μTAS) or lab on a chip (LOC) is becoming an interdisciplinary research area, involving the micromechanical system (MEMS), biotechnology, analysis chemistry and others, and has been widely applied to many fields, such as chemical analysis, biochemical sensing, drug delivery, molecular separation, amplification, sequencing and synthesis of nucleic acids, environmental monitoring, and others. The manipulation …     

Deformation of freezing water droplets on a cold copper surface

Freezing processes of water and peanut oil droplets on a cold surface are investigated in this paper. We observed during our experiments that the base surface of a water droplet that is in direct contact with the cold surface keeps its original shape, but the other part of the droplet shows an obvious growth along the direction normal to the base surface. One small protrusion appears on the top of the water droplet at the end of the freezing process. The experimental observations also show that no obvious shape change happens during the freezing of peanut oil droplets. It is postulated that the effects of sur- face tension and volume dilatation resulted from liquid-to-solid phase change cause the shape change and protrusions formation. Based on this postulation, a physical and mathematical model is developed. The results of the model of a water droplet’s freezing process correspond with our experimental observations. The observed phenomenon that frost-growth speed on the protrusion is higher than that on the other part of the water droplet is also analyzed.     

Influence of laser geometric morphology type on SiC surface wettability

To obtain effective surface morphology to control surface wettability, this work investigated the influence of protuberant and concave morphology, which are respectively represented by circle-dimpled and micro-square-convex morphology, on surface wettability. The geometric morphologies were processed on silicon carbide (SiC) surfaces by a laser-marking machine, and surface wettability was monitored by the measurement of contact angles using the sessile drop method. Correlation analysis between contact angles and morphology parameters was conducted to determine the extent of influence. The results showed that the circle-dimpled diameter had a significant influence on surface wettability, whereas grooved width did not. Additionally, the depth of dimples and grooves exerted less influence on controlling wetting behaviors. In addition, surface wettability transformed from a superhydrophilic state to a hydrophobic state on micro-square-convex surfaces; contact angles on circle- dimpled surfaces showed a relatively slow transformation, though the surface wettability also underwent the state change.     

甲醇/水混合溶液在蝴蝶翅表面的润湿行为

使用视频光学接触角测量仪和扫描电子显微镜研究了甲醇/水混合溶液在蝴蝶翅表面的润湿行为,根据Cassie方程分析了甲醇对蝴蝶翅表面的润湿机理。结果表明,蝴蝶翅表面具有较强的疏水性(蒸馏水接触角为134.0°～159.2°)和疏甲醇性(45%甲醇溶液接触角为91.3°～128.5°)。甲醇溶液在32种蝴蝶翅表面润湿和铺展的临界体积分数分别为50%和70%。在黄钩蛱蝶(Polygonia c-aureum)翅表面,当甲醇体积分数<45%时,液滴在纳米级结构上的体相力大于表面力,液体填满纳米级缝隙,而在微米级结构上体相力小于表面力,液滴由微米级结构支撑,翅表面不发生润湿;当45%≤甲醇体积分数<65%时,液滴在纳/微米级结构上的体相力均大于表面力,液滴塌陷;当甲醇体积分数≥65%时,翅表面发生润湿,由复合接触转为湿接触。     

疏水表面冷凝的毛细力微操作液滴动态分配

为实现毛细力操作液滴获取,提出基于疏水表面冷凝的毛细力微操作液滴分配方法,研究微对象转移进程中(拾取-释放)所需的操作液滴条件.针对操作液滴分配任务,建立液桥拉伸进程中的模型.基于VOF(volume of fluid)方法,建立平面-平面、平面-球面配置模式下的动态模型,分析操作液滴的动态获取过程.仿真结果表明:接触角和提升速度均对辅助液滴的获取率和断裂距离起到重要作用,液滴趋向于接触角小的端面,提升速度可促使液滴在两平面均分.液桥体积对辅助液滴获取率的影响较小,液桥断裂距离与液桥体积成正比变化.实验研究了平面-平面、平面-球面配置下的操作液滴动态分配进程,验证了所提出方法的可行性.     

植物表面非光滑形态与润湿性的关系

从工程角度出发,应用多项对比试验与典型分析相结合的方法,选取吉林省长春地区的部分植物,应用体视显微镜、扫描电镜和静滴接触角测量仪等进行了植物功能叶表面的非光滑形态及与水的表面润湿性和粘附性的试验研究。试验结果表明,植物表面具有的非光滑形态与表面润湿能力的强弱有极大的关系,非光滑单元体的形状和分布是影响植物表面憎水性强弱的决定性因素;规律分布凸包形非光滑单元体的植物表面的憎水性强,脱附效果好;规律密布表皮毛形非光滑单元体次之。上述结果为生物表面仿生工程和复合材料表面设计提供了借鉴。     

壳聚糖膜的制备及其表面浸润性

采用流延法,通过调节壳聚糖溶液的质量分数制备表面结构不同的壳聚糖膜,并通过扫描电子显微镜和静态接触角测定仪对膜表面形貌及浸润性进行了研究。结果表明,壳聚糖溶液的质量分数是壳聚糖膜表面形貌的重要影响因素。在壳聚糖溶液的质量分数由2%增至8%条件下,所制备的壳聚糖膜的表面结构从有较强立体层次感的簇状凸起逐渐变得层次感降低,纹路密集,并出现很多紧密排列的小颗粒;膜表面的浸润性发生细微变化,在空气中均表现为既亲水又亲油的特性,而在水中油滴的表面接触角平均高达150°以上,即达到超疏油性。     

碳离子注入对硅片表面黏附性能的影响

为了改善单晶硅材料表面的黏附性能,对单晶硅片进行碳离子注入,注入剂量为2×10~(16)ions/cm~2,注入能量分别为40 keV和80 keV.采用X射线衍射、X光电子能谱仪和三维轮廓仪研究了碳离子注入前后硅片的晶体结构、化学组分及其面粗糙度,通过接触角测定仪和扫描探针显微镜测量了碳离子注入前后硅片表面的接触角和黏附力的大小.结果表明:碳离子注入改变了硅片表面的晶体结构,在表面形成富含碳和碳化硅的改性层,较注入前粗糙度和接触角分别增加70%～90%和1.7～1.8倍;随着碳离子注入能量的增大,疏水性的碳和碳化硅增多,粗糙度和接触角分别增加9.5%和3.4%.在33%和70%这2种相对湿度条件下,碳离子注入后硅片表面的黏附力分别减少54%～57%和34%～37.3%;碳离子注入能量增加,黏附力分别减小6.7%和4.8%.相对湿度从33%增加到70%时,单晶硅、注入能量为40 keV和80 keV的硅片表面的黏附力分别增加1.24,2.22,2.28倍.