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.     

MWCNTs光热相变超滑表面的制备及防/除冰性能研究

目的 制备光热相变超滑表面，并研究不同含量的多壁碳纳米管（MWCNTs）和固体石蜡对防冰/除冰性能的影响。方法 首先在纯Al表面刻蚀出微米结构，然后将MWCNTs、固体石蜡以及环氧树脂均匀混合后刮涂在处理后的Al基材表面，制备光热相变超滑表面，并对其润湿性、结冰/除冰性、机械稳定性以及自修复性进行表征。结果 通过扫描电镜对涂层截面表征发现MWCNTs已经完全均匀分布在涂层内部。当用波长为808 nm、功率密度为0.5 W/cm2的近红外光（NIR）照射涂层，表层的固体石蜡融化成液体后水滴滑动角可由40°下降到5°，表现出极佳的滑动性能。在–20℃时，与纯Al基底相比，相变超滑表面可将水滴的结冰时长从27s延长至239s，其冰黏附强度降也只有34.9k Pa。得益于MWCNTs优异的光热性能，在NIR照射下，表面温度迅速升高，可在92s内实现快速除冰。此外，涂层在100次的循环摩擦后依然保持极低的冰黏附强度，并在NIR照射下可实现快速自修复。结论 光热相变超滑表面相比于纯Al表面具有更加优异的防冰性，MWCNTs的加入，使表面具有快速除冰性。环氧树脂和固体石蜡则极大地提高了表面耐磨性以及...     

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。     

液膜厚度对固态超滑表面在薄液膜下腐蚀行为的影响

利用电沉积法在低碳钢表面上构建了多孔微纳结构并灌注润滑剂制备出一种稳定的固态超滑表面(SSS)。采用电化学测试，扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)等手段研究不同液膜厚度(500,250,100和50μm)下SSS腐蚀防护行为及腐蚀后的微观结构变化规律。结果表明：在薄液膜腐蚀初期，随着薄液膜厚度的降低，SSS的腐蚀行为呈现较小差异，在100μm厚度时SSS具有最大的阻抗，浸泡1 d后极限扩散电流密度为4.899×10^-6 A·cm^-2 (在-1.4 V电位下)，拟合后的阻抗值达到1.54×10⁵Ω·cm²；即使浸泡7 d后仍具有6.98×10⁴Ω·cm²的阻抗值，并难以检测到腐蚀产物的生成，表现出优异的稳定性和耐蚀性。     

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。     

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...     

AZ91表面熔滴涂覆Al涂层的研究

采用熔滴涂覆法,在AZ91表面制备了与基体冶金结合、且与涂覆原料性能相近的Al涂层。分析了涂覆界面附近区域的显微组织形貌、相结构及化学成分,并对显微硬度和耐蚀性进行了测试。结果表明,在熔滴涂覆过程中,Mg和Al元素发生了一定程度的扩散,但富Mg液相和富Al液相混溶的过程被限制在一个薄层区域内进行,所得Al涂层的化学成分、显微硬度及耐蚀性均与涂覆原料相近。这个结果说明,通过熔滴涂覆技术,可以制备成分可控的涂层,为利用现有耐蚀耐磨材料进行镁合金的表面防护提供了可能性。     

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。     

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.     

反应溅射中靶面附近的粒子输运研究

列出了各类粒子的产生、输运和它们同靶表面反应的速率方程，并计及高能中性粒子对靶面溅射的剥离速率方程，有关方程耦合后求解溅射速率与气体流量和放电电流的关系。本文强调反应粒子的反应碰撞，论述了从粒子输运出发探讨薄膜生长方法的优点。