液滴在双轨亲水轨道上的运动特性研究

目的 探究重力驱动液滴在双轨亲水轨道上的运动特性,揭示其力学机理。方法 采用喷涂法制备不锈钢超疏水表面,然后采用激光刻蚀法在超疏水表面上加工出不同类型的亲水轨道。研究液滴在不同轨道上的运动行为,讨论液滴运动状态与轨道参数之间的关系,并对液滴运动的力学特性进行分析。结果 液滴在平行双轨轨道上的运动阻力约为在单轨轨道上的1.6~2.4倍,其与轨道宽度呈正相关,与轨道间距呈负相关,且液滴运动终止时呈现出轨道中途停滞、轨道末端停滞、脱离轨道末端三种状态;液滴在非平行双轨轨道上的运动阻力与运动方向有关,由宽端至窄端的运动阻力较由窄端至宽端更小,前者约为后者的90.7%。结论 液滴在轨道上的运动阻力主要受液滴与亲水轨道的接触面积影响。当平行双轨轨道的间距增大时,液滴在垂直轨道的方向上拉伸效果增强,液滴将沿平行轨道的方向收缩,铺展长度减小,由此液滴与亲水轨道的接触面积减小,从而降低了液滴运动阻力;而液滴在非平行轨道不同运动方向上的阻力差异与液滴的表面张力有关。     

可切换润湿性超疏水表面制备方法及应用

目的 制备可切换润湿性的智能超疏水表面,并探索该表面潜在的应用前景。方法 利用模板法,基于热响应形状记忆聚合物（Shape Memory Polymer,SMP）制备具有条状微结构阵列的可切换润湿性智能超疏水表面,并对其润湿性可逆转换能力及循环使用稳定性进行测试。结果 通过扫描电子显微镜观察到所制备表面微结构完整且轮廓清晰,液滴接触角在该表面可达到（150±3）°。通过加热使该表面达到玻璃化转变温度,此时对其施加外载荷使表面上条状微结构向一侧倾倒,由于微结构形态的改变,SMP表面疏水性减弱、水黏附性增强,再通过简单加热就可以使表面形态恢复至原始状态。通过试验测得环氧SMP的形状固定率为98.8%、形状回复率为96.3%,均达到95%以上,由于其优异的形状记忆特性,条状微结构的形态可以在原始直立状态和受到外载荷时的倾倒状态之间产生热响应而自由转变,且这种润湿性转换循环10次以上后,该表面依然保持着相对良好的润湿性可逆转换能力。结论 基于形状记忆聚合物制备出的可切换润湿性智能超疏水表面具有良好的润湿性可逆转换能力和循环使用能力,且在液滴微反应器、生物检测、可重写液体图案、无损失液滴转移和芯...     

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。     

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。     

非晶合金表面极端润湿性的研究进展

随着近代仿生学的不断发展,极端润湿性界面材料作为一种新型功能材料,已成为材料科学研究领域的热点之一.非晶合金由于具有较低的表面(自由)能以及在过冷液相区的超塑性,成为了制备功能性表界面的理想材料之一,尤其是超疏液表面的理想材料.利用Young′s、Wenzel、Cassie-Baxter三种不同的润湿模型,对非晶合金表...     

仿生非均匀润湿性表面研究进展及应用现状

介绍了固体表面的典型润湿理论,主要包括Young’s方程、Wenzel模型、Cassie-Baxter模型、Wenzel-Cassie模型之间的转换理论以及动态润湿模型。对仿生非均匀润湿性表面的国内外发展动态、表面制备技术以及表面结露特性等进行了归纳总结。针对仿生非均匀润湿性表面在集水、换热、脱盐、微流体控制以及抗结冰等方面的应用现状及潜在应用前景进行了阐述,揭示了非均匀润湿性表面利于强化结露及提高换热效率的主要原因为:亲水微区强化了表面形核结露,疏水微区保证了露滴脱附性能,从而使表面结露及脱附达到相对平衡而保证总体效果。最后指出了仿生非均匀润湿性表面目前存在设备昂贵、制备工艺复杂以及成本较高等限制其批量化制备应用的问题,阐明了利于批量化制备应用的涂层调控技术在非均匀润湿性表面制备中的优势,并对非均匀润湿性表面的工业应用前景和发展方向作了展望。     

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。     

透明超疏水表面的研究进展

对于太阳能电池系统、汽车挡风玻璃、相机镜头等光学器件,高透明性是其功能的最重要指标之一.由于这些设备经常暴露在室外,大量的灰尘污垢会严重影响其性能.透明超疏水表面由于具有优异的光学和抗污性能,在光学器材领域有着很高的应用前景.首先总结了表面润湿性理论,主要包括Young润湿方程、Wenzel润湿模型和Cassie润湿模型,通过润湿性理论指出制备超疏水表面的条件——低表面能物质和粗糙结构二者缺一不可.其次,讨论了粗糙度和透明度之间的竞争关系,通过瑞利散射和米氏散射理论,得出制备透明超疏水表面还需要同时满足材料表面粗糙度小于100 nm.然后,归纳总结了近十年来透明超疏水表面常见的制备方法,如溶胶凝胶法、化学气相沉积法、模板法、相分离等方法,并对这些制备思路和方法进行了分析,概括了这些方法当前存在的一些问题.最后,简单介绍了透明超疏水表面在太阳能电池、光学元器件、光催化材料等领域的应用,并对透明超疏水表面的未来研究方向和应用前景进行了展望.     

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%。     

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。     

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.     

超疏水表面耐久性能的研究进展

超疏水表面由于其独特的表面润湿特性,具有很大的应用前景。但是超疏水表面的微纳米二元粗糙结构和低表面能物质极易受到磨损和油污等影响而遭到破坏或损耗,从而影响了其耐久性能,限制了其实际运用,因此研究超疏水表面的耐久性能具有重要意义。综述首先介绍了超疏水表面耐久性能差的主要原因,然后梳理了超疏水表面耐久性能的测试方法,对如何增强超疏水表面耐久性能的途径进行了总结,最后指出目前超疏水表面耐久性能研究中存在的一些问题,旨在对耐久性超疏水表面的研究进展有一个全面的认识,对耐久性超疏水表面的发展提供一些理论指导,并展望了未来耐久性超疏水研究的发展方向和趋势。     

硬脂酸改性三氧化二铝表面润湿性的特性分析

目的 研究氧化铝经硬脂酸分子改性后的润湿行为,从表面改性角度探索聚合物自组装润湿性原理,进而制备出一种疏水性能良好的超疏水表面。方法 使用COMPASS力场进行分子动力学模拟,构建基于非键合粒子的Al2O3超晶胞模型体系,采用最速下降法和共轭梯度法进行优化,使所构建的模型在体系平衡下保持能量最小原则,并对其求解分析。进而基于模拟材料,通过两步喷涂法制备以改性纳米氧化铝为涂层的超疏水表面,观察表征特征,验证模型的正确性。最后从模拟构象、径向分布函数以及均方根位移方面分析氧化铝经硬脂酸分子改性前后水分子团簇在玻璃、氧化铝表面的微观润湿行为。结果 经硬脂酸改性后,氧化铝表面由亲水表面成为疏水表面。经分子动力学模拟表明,当硬脂酸浓度增加,每个硬脂酸的表面能由–110.5 kJ/mol变为–80.4 kJ/mol,硬脂酸分子降低了水分子团簇在玻璃和氧化铝表面的扩散系数,对疏水性的强弱有着重要的影响。结论 氧化铝颗粒与玻璃表面都具有强亲水性,且氧化铝对水分子的吸附能力要强于玻璃。硬脂酸能够降低氧化铝的表面能,且与纳米氧化铝发生化学反应后,将氧化铝由超亲水改性为超疏水。     

钛合金的激光表面处理研究进展

介绍了钛合金的各种激光表面改性技术及其研究进展,讨论了激光表面改性处理工艺参数对钛合金性能的影响。并介绍了其应用前景。利用激光表面处理可克服钛合金硬度低、易发生粘着磨损等缺点,同时可提高其耐蚀性及抗高温氧化等性能。此外,利用脉冲激光沉积技术在改善钛合金的生物活性等方面也取得了好的结果。     

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.     

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。     

仿生表面减阻的研究现状与进展

仿生表面减阻是众多减阻方法中非常有前景的减阻方式。目前研究最多的是仿生鲨鱼皮减阻和仿生超疏水表面减阻,其中仿生鲨鱼皮表面减阻又分为直接复刻鲨鱼皮表面的盾鳞结构和仿鲨鱼皮沟槽减阻。文中介绍了国内外关于仿生减阻的最新研究进展及成果,综述了仿生鲨鱼皮表面减阻和仿生超疏水表面减阻的研究现状,探讨了仿生表面减阻未来的发展方向和研究重点。虽然仿生超疏水表面一般都具有粗糙的表面微纳结构以及较低的表面能,但不是所有的超疏水表面都具有减阻效果,因此超疏水表面的减阻效果还需要一个度量标准。     

超疏水表面技术在腐蚀防护领域中的研究进展

提高材料表面疏水性有利于降低其与水分等腐蚀性介质的相互作用,从而增强材料的耐腐蚀性。近年来,超疏水表面由于其非润湿性、自清洁性等特殊表面性质而受到广泛的关注,并且越来越多的研究已经将超疏水表面应用于腐蚀防护领域。材料表面的浸润性主要取决于表面化学性质及表面微观结构,因此提高材料表面的疏水性也往往通过降低材料的表面能、改变表面微观结构这两个方面入手。阐述了超疏水表面的浸润性机理,介绍了不同建立表面微观粗糙结构,增强材料疏水/超疏水性的方法,总结了超疏水表面技术在腐蚀防护领域的最新进展和存在的一些问题,并展望了超疏水防腐表面技术的未来发展方向。     

氧化锆陶瓷润湿及钎焊的研究进展

氧化锆陶瓷因其优良的物理力学性能,已成为一种最具有发展前景的先进结构和功能材料.氧化锆陶瓷/金属的连接技术也成为其重要应用的瓶颈技术之一.本文综述了氧化锆陶瓷的润湿、钎焊工艺、及其与钎料之间的界面结构和界面反应,并对界面反应的热力学进行了初步讨论,旨在为陶瓷/金属连接的发展提供参考,最后针对目前研究和应用过程中面临的问题提出了一些看法.